本文來自半導(dǎo)體行業(yè)觀察，作者/杜芹。
目前人工智能（AI）正在變革多個行業(yè)。有一個很有趣的現(xiàn)象：人工智能正在幫助推動人工智能芯片的進步。早在2021年6月，谷歌就利用AI來設(shè)計其TPU芯片。谷歌表示，人工智能可以在不到6小時的時間內(nèi)完成人工需要數(shù)月時間完成的芯片設(shè)計工作?！禢ature》的一篇評論稱這項研究是一項“重要成就”，并指出此類工作可以幫助抵消摩爾定律的終結(jié)。除此之外，英偉達已經(jīng)開始使用人工智能來有效地改進和加速GPU設(shè)計；三星也已經(jīng)談?wù)摰搅耸褂萌斯ぶ悄茉O(shè)計芯片。
但這遠不是人工智能輔助芯片的唯一應(yīng)用，AI技術(shù)正滲透到更多芯片業(yè)的核心環(huán)節(jié)，其中在制造這一芯片產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，AI也在悄然發(fā)力。
芯片制造環(huán)節(jié)，良率越來越受到考驗
現(xiàn)在幾乎所有的應(yīng)用包括5G、物聯(lián)網(wǎng)、汽車、數(shù)據(jù)中心等的實現(xiàn)與發(fā)展都建立在更高性能、更低功耗、更大算力的芯片的基礎(chǔ)之上。芯片的需求大幅提升，而芯片的供應(yīng)卻跟不上需求，提升現(xiàn)有產(chǎn)品的良率是業(yè)內(nèi)公認的有效措施。
然而，良率的提升卻給芯片設(shè)計商和制造商都帶來了很大的挑戰(zhàn)。
制造是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵一環(huán)。整個制造過程主要分為八個步驟：晶圓加工-氧化-光刻-刻蝕-薄膜沉積-互連-測試-封裝，每個芯片的制造步驟又需要數(shù)百個工藝。芯片生產(chǎn)制造的周期動輒兩三個月，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐雜，涉及的參數(shù)變量繁多，任何一點微小的變化都能影響到最終芯片的良率。
遵循著摩爾定律的工藝制程演進是芯片實現(xiàn)高性能計算最為有效的途徑之一，也是產(chǎn)業(yè)追逐的方向。而隨著芯片工藝來到更先進的5nm、3nm，芯片設(shè)計復(fù)雜度呈幾何倍數(shù)增加，生產(chǎn)流程的不斷加長，芯片的制造變得極其復(fù)雜與精密，良率變得極具挑戰(zhàn)。據(jù)半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商巨頭應(yīng)用材料公司表示，從2015年到2021年，芯片制造的工藝步驟的數(shù)量增加了48%。相比成熟節(jié)點，先進節(jié)點的基準良率也越來越低。
而在半導(dǎo)體的商業(yè)化進程中，良率直接關(guān)系到芯片的產(chǎn)量、生產(chǎn)成本與企業(yè)的盈利能力。所以說，僅僅通過芯片工藝技術(shù)的改進來提高PPA變得越來越困難，而且從性價比來看，芯片流片的費用越來越貴，只有極少數(shù)的芯片公司才能負擔(dān)得起。
因此，既要提升芯片的良率又要在經(jīng)濟上可行，必須要多管齊下，探索創(chuàng)新的方法。在如今這個高度自動化的時代，引入人工智能/機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，推動芯片的制造流程，提升芯片的良率，進而幫助我們快速彌合算力供需之間的差距。
AI的強勢出擊
芯片制造是世界上最昂貴的生產(chǎn)工藝之一。芯片產(chǎn)量決定了諸如英特爾、三星、臺積電等晶圓廠商的成敗。他們不惜投入大量資源來使晶圓廠全天候運營，以實現(xiàn)長期利潤最大化。
半導(dǎo)體制造商需要依靠掃描、測試和診斷來幫助故障分析以解決良率問題。后端的缺陷檢測無疑是提升芯片良率的一大“把關(guān)者”?，F(xiàn)在大多數(shù)先進的SoC使用了極小的制造工藝，有的甚至引入EUV光刻技術(shù)，對制造商來說更加難以定位芯片上的微小故障和缺陷；并且在制造3D結(jié)構(gòu)和執(zhí)行復(fù)雜的多圖案化步驟時，其中一些小的差異會累積以產(chǎn)生良率抑制缺陷，如果其中的一些微小的差異被延遲檢測到，那么之后進行的所有流程步驟基本上都是浪費時間和金錢。他們發(fā)現(xiàn)缺陷的時間越長，損失的錢就越多。
為了解決這一行業(yè)難題，半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商應(yīng)用材料（Applied Materials）將人工智能融入到晶圓檢測流程，從2016年開始應(yīng)用材料就使用ExtractAI技術(shù)開發(fā)Enlight系統(tǒng)，于2020年推出了新一代Enlight光學(xué)半導(dǎo)體晶圓檢測機，該檢測設(shè)備引入了大數(shù)據(jù)和AI技術(shù)。Enlight系統(tǒng)只需不到一個小時就可以繪制出晶圓上數(shù)百萬個潛在缺陷。
應(yīng)用材料表示，結(jié)合他們的Enlight光學(xué)檢測、ExtractAI技術(shù)和SEMVision eBeam審查功能，他們解決了最困難的檢測挑戰(zhàn)：將影響良率的缺陷與噪聲區(qū)分開來，還可以實時學(xué)習(xí)和適應(yīng)工藝變化。而且通過生成大數(shù)據(jù)，Enlight系統(tǒng)將捕獲關(guān)鍵缺陷的成本降低了3倍。這將使晶圓廠可以比以往更快地接收更多可操作的數(shù)據(jù)，從而降低擁有成本并加快產(chǎn)量和上市時間。目前，這些最新的工具集已經(jīng)安裝在多個晶圓廠中，這些晶圓廠都在使用它來縮短最新技術(shù)的良率。
應(yīng)用材料公司表示，Enlight是其產(chǎn)品線中第一個使用人工智能來改進生產(chǎn)過程的系統(tǒng)，還有更多人工智能增強系統(tǒng)正在籌備中。
檢測設(shè)備是后期制造環(huán)節(jié)提升良率中的一個措施，而如果能在IC開發(fā)的物理設(shè)計階段就采取必要的措施，將良率的把控逐步轉(zhuǎn)移到芯片前端設(shè)計，來確保能夠準確地制造設(shè)計，那么就能提高產(chǎn)量并防止產(chǎn)品交付給客戶后可能出現(xiàn)的缺陷。這在行業(yè)內(nèi)稱之為DFM（Design-for-Manufacture），該概念幾乎存在于所有工程學(xué)科中。
在芯片設(shè)計端的DFM，EDA供應(yīng)商們正致力于將各種AI功能集成到工具流中。
舉例來看，西門子EDA的Calibre SONR工具就內(nèi)嵌了機器學(xué)習(xí)引擎TenssorFlow，通過將并行計算和ML技術(shù)融入到EDA工具中去，使得EDA工具具有更快的運行速度。Calibre物理驗證平臺涵蓋了Signoff級驗證的Layout、Mask以及芯片制造過程中所有驗證步驟。Calibre的產(chǎn)品線還在不斷擴充，通過產(chǎn)品之間的互補優(yōu)勢真正做到從芯片設(shè)計端一路延伸至芯片制造端。這不僅能夠幫助設(shè)計人員可以胸有成竹地實施物理驗證和交付設(shè)計，并能大幅提升流片良率，縮短芯片產(chǎn)品上市時間并加快創(chuàng)新速度。
仿真一直是芯片設(shè)計師的痛，隨著先進工藝和超低電壓的發(fā)展需求，仿真領(lǐng)域面臨著數(shù)據(jù)量大、時序庫提取時間長、暴力窮舉太慢、STA工具做內(nèi)差法精度不夠等痛點，而如果利用機器學(xué)習(xí)算法，通過大數(shù)據(jù)的方式分析已有數(shù)據(jù)庫，通過多個表面模型互聯(lián)，構(gòu)建一個多維模型，通過這樣模型的創(chuàng)建去推測出一個新的Corner下的數(shù)據(jù)庫。這樣的方式與SPICE仿真或者內(nèi)差法相比，可以說是跨代競爭，無論是速度還是精度，都有巨大的優(yōu)勢。西門子EDA推出的Solido機器學(xué)習(xí)技術(shù)，能夠?qū)我粫r序庫文件的提取加速近百倍（相較傳統(tǒng)SPICE方式），對整體時序庫提取速度提升2到3倍，同時還可以把精度控制在可接受的范圍之內(nèi)。
驗證也在伴隨著SoC的復(fù)雜而日益復(fù)雜和困難的一項工作，驗證工作在芯片研發(fā)中所占的比重也越來越大，因為如此繁重的驗證工作必須保證百分之百正確才能確保流片的成功。關(guān)于這個挑戰(zhàn)，也可以交給AI，機器學(xué)習(xí)被用來自動選擇解析器策略，以執(zhí)行西門子EDA OneSpin中與形式驗證有關(guān)的斷言證明。
隨著工藝和設(shè)計向前推進，良率丟失的根因變得越來越復(fù)雜，故障隔離技術(shù)面臨挑戰(zhàn)，提高診斷分辨率成為減少良率爬坡時間的首要任務(wù)。在這方面，西門子EDA的Tessent Diagnosis的版圖感知和單元感知技術(shù)，結(jié)合Tessent YieldInsight的無監(jiān)督機器學(xué)習(xí)技術(shù)，即Root Cause Deconvolution（簡稱為RCD），可以找到最可能的缺陷分布并移除低概率懷疑點，從而提高分辨率和準確性。目前格芯、UMC和中芯國際等都在使用該技術(shù)來快速的定位到影響良率的準確根因并快速實現(xiàn)良率提升。
可以看出，借助AI/ML技術(shù)，EDA工具越來越成為解決良率爬升的利器。人工智能/機器學(xué)習(xí)已經(jīng)可以在先進工藝節(jié)點良率爬升、機器學(xué)習(xí)技術(shù)在標準單元變量感知型時序庫特征提取、在量產(chǎn)化診斷驅(qū)動良率分析中的應(yīng)用、顯著縮短ASIC/FPGA驗證周期等自動化IC設(shè)計新領(lǐng)域，都能發(fā)揮強大的作用。
結(jié)語
通過各個領(lǐng)域的芯片廠商的創(chuàng)新，人工智能技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域顯示出其優(yōu)勢，應(yīng)用AI不僅可以大幅縮短芯片設(shè)計所需時間，芯片缺陷檢測的時間，降低芯片設(shè)計公司的人工成本等，還能有效滿足市場對集成電路復(fù)雜程度的需求。利用人工智能技術(shù)來幫助設(shè)計和制造芯片已經(jīng)成為大勢所趨。相信在不久的未來，會有更多在芯片生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)θ斯ぶ悄芗夹g(shù)的探索和應(yīng)用。
