“先人后機(jī)”策略將降低半導(dǎo)體工藝開發(fā)成本，并加快創(chuàng)新的步伐

近期全球最具權(quán)威性的科學(xué)期刊Nature雜志發(fā)表了近150年來最激動(dòng)人心且極具突破性的研究：《改進(jìn)半導(dǎo)體工藝開發(fā)的人機(jī)協(xié)作》，該文章由泛林集團(tuán)九名研究人員合著。

【資料圖】

此前曾擔(dān)任泛林集團(tuán)首席技術(shù)官的Rick Gottscho博士表示：“我們的研究是突破性的，使泛林集團(tuán)脫穎而出、成為在工藝工程中應(yīng)用數(shù)據(jù)科學(xué)的領(lǐng)導(dǎo)者?！?/p>

刊登在Nature雜志的這篇文章對(duì)比了人類工程師與機(jī)器以最低目標(biāo)成本（即最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)）開發(fā)半導(dǎo)體工藝的情況。為此，研究人員們創(chuàng)建了對(duì)比人類和計(jì)算機(jī)算法表現(xiàn)的比賽，在比賽中雙方需要設(shè)計(jì)一個(gè)半導(dǎo)體制造工藝——高深寬比介電刻蝕。

結(jié)果表明，人類工程師在工藝開發(fā)的早期階段表現(xiàn)出色，而算法在目標(biāo)的嚴(yán)格公差附近更具成本效益，這一洞察引出了“先人后機(jī)”的方法。相比由具有七年以上經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)工藝工程師獨(dú)自開發(fā)工藝，“先人后機(jī)”可以將目標(biāo)成本降低一半。?

該研究的重要性：對(duì)于如何使用人工智能徹底改變半導(dǎo)體行業(yè)的工藝開發(fā)，由此實(shí)現(xiàn)節(jié)省數(shù)百萬美元和無數(shù)的時(shí)間成本，泛林集團(tuán)擁有可量化的證據(jù)。進(jìn)一步了解這項(xiàng)突破性的研究。

1 阿伏伽德羅常量

制造一個(gè)芯片，我們需要為它開發(fā)專門的制造工藝。然而，每個(gè)工藝實(shí)驗(yàn)可能都要花費(fèi)幾分鐘至幾個(gè)小時(shí)，然后還需要幾個(gè)小時(shí)準(zhǔn)備用于測(cè)量（度量）的樣品。對(duì)于那些涉及到刻蝕或填充高深寬比特征的最有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，通常在第二天才能得到結(jié)果，而且一整批可能要花費(fèi)幾千美元。按一年計(jì)算，這些步驟極其昂貴且耗時(shí)。

十多年來，Rick Gottscho博士一直將這一工藝開發(fā)中的問題稱為“泛林定律”（盡管這不僅僅是泛林的問題），即在所有可能的配方組合中尋找最佳配方越來越具挑戰(zhàn)性。對(duì)“摩爾定律”說法的借鑒也暗示了這個(gè)問題正變得棘手，工程師在開發(fā)晶圓工藝時(shí)可調(diào)整的排列組合數(shù)量已經(jīng)超過了100萬億（即10^14），這是一個(gè)天文數(shù)字。

隨著晶圓工藝變得愈加復(fù)雜，現(xiàn)在排列組合的數(shù)量可能正在接近10^23（對(duì)于核心部分來說正接近阿伏伽德羅常量的數(shù)量級(jí)）。

Rick表示：“參數(shù)空間的排列組合數(shù)量已經(jīng)達(dá)到阿伏伽德羅常量的數(shù)量級(jí)，我們無法承擔(dān)測(cè)試其中的所有選項(xiàng)，這是不可能的。事實(shí)上，你甚至無法為大數(shù)據(jù)分析創(chuàng)建足夠的數(shù)據(jù)集。一百批實(shí)驗(yàn)需要花費(fèi)近50萬美元和半年時(shí)間，而這在大數(shù)據(jù)世界中只是滄海一粟?！?/p>

2 虛擬比賽

研究論文的主要作者、泛林集團(tuán)首席技術(shù)官辦公室的資深技術(shù)總監(jiān)Keren Kanarik回憶道：“多年來，數(shù)據(jù)科學(xué)家一直表示他們可以構(gòu)建算法來幫忙解決‘泛林定律’并開發(fā)可制造的工藝?！盞eren也曾是一名工藝工程師，她深刻理解工程師們的難題?！暗覀?nèi)绾沃肋@些程序優(yōu)于人類呢？我們拿什么與這些程序作比較呢？基準(zhǔn)在哪里呢？”

正因如此，Keren萌生了進(jìn)行比賽的想法。她想到了Garry Kasparov和Deep Blue（深藍(lán)）之間那場(chǎng)著名的國際象棋比賽，并認(rèn)為我們的專業(yè)工藝工程師可以充當(dāng)Garry的角色。不過，使用哪個(gè)工藝呢？?

在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行這項(xiàng)比賽是不切實(shí)際的，因?yàn)樗ㄙM(fèi)的時(shí)間太長、成本太高，而且會(huì)有太多變量影響研究結(jié)果。

Rick是Keren的上司，他建議進(jìn)行虛擬比賽，這樣無論多少玩家都能在同樣的工藝上進(jìn)行多次比賽。

繼2019年創(chuàng)建原型、并在2020年歷時(shí)三個(gè)多月創(chuàng)建出更加成熟的版本之后，虛擬刻蝕工藝誕生了。

這個(gè)虛擬工藝可以讓人類與算法之間進(jìn)行比賽，從而評(píng)估不同算法之間、算法與人類工程師間的對(duì)抗。

Keren解釋說：“虛擬環(huán)境讓我們能完全掌控比賽，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的評(píng)估。”

比賽中所用虛擬工藝的示意圖。虛擬工藝的輸入是控制等離子體與硅晶圓之間相互影響的“配方”。對(duì)于給定的配方，模擬器會(huì)輸出指標(biāo)以及晶圓上輪廓的橫截面圖。目標(biāo)輪廓與不符合預(yù)期的其他輪廓示例會(huì)一同進(jìn)行展示。比賽的目標(biāo)是以最低的目標(biāo)成本找到合適的配方。

3 泛林得到了顛覆性的研究結(jié)果

泛林的研究證實(shí)，只靠機(jī)器還不能完成專業(yè)工藝工程師的工作；如果機(jī)器和編寫算法的數(shù)據(jù)科學(xué)家沒有任何專業(yè)工程師所提供的領(lǐng)域知識(shí)，機(jī)器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能打敗人類。換句話說，人類工程師對(duì)于尋找晶圓工藝的正確配方仍然至關(guān)重要。

但在特定條件下的人機(jī)協(xié)作中，計(jì)算機(jī)算法可以而且最終也確實(shí)打敗了人類工程師。

由論文中的“方法”定義的進(jìn)度追蹤器對(duì)軌跡進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。當(dāng)進(jìn)度追蹤器顯示為0時(shí)，表示目標(biāo)達(dá)成。高級(jí)工程師的軌跡標(biāo)綠，初級(jí)工程師的軌跡標(biāo)藍(lán)。圖中也特別突出了獲得比賽勝利的專家（即高級(jí)工程師 1）的軌跡，并標(biāo)出“先人后機(jī)”策略中A到E幾個(gè)轉(zhuǎn)移點(diǎn)。

泛林的研究結(jié)果指出了一條通過結(jié)合人機(jī)優(yōu)勢(shì)大幅降低目標(biāo)成本的道路。文章的幾位作者總結(jié)道：“通過這個(gè)方法，我們將利用這些半導(dǎo)體工藝所推動(dòng)的計(jì)算能力，加速半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實(shí)際上，就像著名畫家埃舍爾的作品《互繪的手》，人工智能也將進(jìn)行自我創(chuàng)建?！?/p>

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