深度學(xué)習(xí)經(jīng)過15年的發(fā)展現(xiàn)已應(yīng)用于：科學(xué)研究、基因測(cè)序、油氣勘探、氣象預(yù)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域，在高性能計(jì)算HPC的加持下，與大數(shù)據(jù)、模擬仿真、人工智能AI等技術(shù)逐步與深度計(jì)算融合。

技術(shù)背景

光刻技術(shù)是用于制造超大規(guī)模集成電路的核心技術(shù)之一。現(xiàn)代集成電路制造業(yè)基本按照摩爾定律在不斷發(fā)展，芯片的特征尺寸(CriticalDimension，簡(jiǎn)稱CD)不斷縮小，光刻技術(shù)也經(jīng)歷了從g線光刻、i線光刻、深紫外(Deep Ultraviolet，簡(jiǎn)稱DUV)光刻到極紫外(ExtremeUltraviolet，簡(jiǎn)稱EUV)光刻的發(fā)展歷程。在不同的光刻技術(shù)節(jié)點(diǎn)中，可能需要采用不同的光刻系統(tǒng)進(jìn)行集成電路制造。
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投影式光刻技術(shù)由于其分辨率高，不玷污掩模版，重復(fù)性好的特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于目前的超大規(guī)模集成電路量產(chǎn)過程中。在采用193nm光源波長(zhǎng)的DUV光刻技術(shù)和采用13 .5nm的EUV光刻技術(shù)中，光刻系統(tǒng)利用光源照射透射式或反射式掩模，隨后光線通過透射式或反射式的投影物鏡將掩模上的集成電路版圖復(fù)刻在表層涂有光刻膠的硅片上。為了提高光刻系統(tǒng)的成像性能，近年來已經(jīng)開發(fā)出來多種新的光刻分辨率增強(qiáng)技術(shù)(ResolutionEnhancementTechnique，簡(jiǎn)稱RET)，如相移掩膜(Phase ShiftingMask)技術(shù)、離軸照明(Off-axis Illumination)技術(shù)、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正(Optical Proximity Correction，簡(jiǎn)稱OPC)技術(shù)、駐波效應(yīng)校正(Stand WaveCorrection)技術(shù)等，其中OPC是一種重要的計(jì)算光刻技術(shù)。它通過優(yōu)化掩模圖形調(diào)制掩模的衍射近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)，從而補(bǔ)償由衍射和干涉效應(yīng)。

基于現(xiàn)有深度學(xué)習(xí)技術(shù)梯度的OPC優(yōu)化算法通過梯度迭代算法，優(yōu)化掩模各個(gè)像素點(diǎn)的透過率(對(duì)于DUV光刻系統(tǒng)而言)或反射率(對(duì)于EUV光刻系統(tǒng)而言)，需要進(jìn)行大量的循環(huán)迭代才能獲得較為理想的優(yōu)化結(jié)果。同時(shí)還需要對(duì)每次迭代后的掩模圖形進(jìn)行光刻成像，并計(jì)算代價(jià)函數(shù)對(duì)掩模變量的梯度，從而導(dǎo)致該算法的計(jì)算復(fù)雜度很高、計(jì)算量大。此外，由于光刻系統(tǒng)成像模型的非線性特性，現(xiàn)有的梯度算法很容易陷入OPC優(yōu)化問題的局部最優(yōu)解，并不能準(zhǔn)確得到全局最優(yōu)解，導(dǎo)致收斂誤差較大，影響光刻系統(tǒng)的成像質(zhì)量。為了進(jìn)一步提高OPC算法的計(jì)算效率，研究人員針對(duì)相干成像光刻系統(tǒng)提出了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算光刻方法。但是大多數(shù)實(shí)際的光刻系統(tǒng)均采用部分相干照明，因此限制了上述技術(shù)的應(yīng)用范疇。

光學(xué)光刻技術(shù)

光刻是集成電路最重要的加工工藝，他的作用如同金工車間的車床相同。在整個(gè)芯片制造過程中，幾乎每一道工序都離不開光刻。光刻也是芯片制造中最關(guān)鍵的技術(shù)，占芯片制造成本的35%以上。在科技和社會(huì)發(fā)展的今天，光刻機(jī)技術(shù)的增長(zhǎng)直接關(guān)系到大型計(jì)算機(jī)等高科技領(lǐng)域的運(yùn)行。

光刻技術(shù)與我們的生活息息相關(guān)。我們用的手機(jī)，電腦等各種各樣的電子產(chǎn)品，里面的芯片制作離不開光刻技術(shù)。當(dāng)今世界是一個(gè)信息社會(huì)，各種信息在世界上流動(dòng)。而光刻技術(shù)是為了保證信息載體的制造。它在社會(huì)上擁有不可替代的作用。

光學(xué)光刻是通過光的照射的投影方法，將掩模上的大規(guī)模集成電路器件的結(jié)構(gòu)圖形畫在涂有光刻膠的硅片上。通過光的照射，光刻膠的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生電路圖。限制成品的最小尺寸直接關(guān)系到光刻系統(tǒng)能夠獲得的分辨率，減少照射光源的波長(zhǎng)是提高分辨率最有效的途徑。為此，開發(fā)新型的短波長(zhǎng)光源光刻機(jī)一直是各國(guó)的研究熱點(diǎn)。

計(jì)算光刻的深度學(xué)習(xí)方法的流程圖

基于光刻系統(tǒng)的成像模型，構(gòu)建梯度迭代算法中的掩模圖形更新公式；展開梯度迭代算法的迭代過程，截取前K步迭代，將每一步迭代過程作為一層，創(chuàng)建K層的前向卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，稱為基于模型的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)MCNN，將MCNN作為編碼器；MCNN的輸入為理想電路版圖，輸出為對(duì)應(yīng)的OPC掩模圖形；MCNN中上一層的輸出作為下一層的輸入；基于光刻膠模型，構(gòu)建與MCNN相對(duì)應(yīng)的解碼器；將MCNN的輸出與解碼器的輸入相連；解碼器的輸入為OPC掩模圖形，輸出為OPC掩模圖形在晶片處所成的像；對(duì)MCNN進(jìn)行如下訓(xùn)練：收集電路版圖結(jié)構(gòu)，作為訓(xùn)練樣本集，輸入MCNN，采用反向傳播算法優(yōu)化MCNN中的各項(xiàng)參數(shù)，使得MCNN的輸入與解碼器的輸出之間的誤差最小化；訓(xùn)練結(jié)束后，將解碼器與MCNN分離，將任意其他的理想電路版圖輸入訓(xùn)練后的MCNN，輸出即為該電路版圖所應(yīng)對(duì)的掩模圖形。

結(jié)構(gòu)示意圖和解碼器示意圖

此外，根據(jù)光的干涉特性，利用各種波前技術(shù)優(yōu)化工藝參數(shù)也是提高分辨率的重要手段。這些技術(shù)是利用電磁理論結(jié)合光刻實(shí)踐對(duì)曝光成像進(jìn)行深入分析的突破。有移相掩模、離軸照明技術(shù)、鄰近效應(yīng)校正等等。使用這些技術(shù)，可以在當(dāng)前的技術(shù)水平下獲得更高分辨率的光刻圖案。

20世紀(jì)70-80年代，光刻設(shè)備主要采用普通光源和汞燈作為曝光光源，其特征尺寸在微米級(jí)以上。20世紀(jì)90年代以來，為了適應(yīng)IC集成度逐步提高的要求，相繼出現(xiàn)了g譜線、h譜線、I譜線光源以及KrF、ArF等準(zhǔn)分子激光光源。目前光學(xué)光刻技術(shù)發(fā)展方向主要是縮短曝光光源的波長(zhǎng)，增加數(shù)值孔徑，改善曝光方式。

電子束光刻技術(shù)

電子束光刻是微型技術(shù)加工發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，在納米制造領(lǐng)域具有不可替代的作用。電子束光刻主要用于刻畫微小的電路圖，通常以納米為單位。電子束光刻不需要掩模，直接將會(huì)聚的電子束斑打在表面涂有光刻膠的襯底上。

為了將電子束光刻技術(shù)應(yīng)用于納米尺度微小結(jié)構(gòu)的加工和集成電路的光刻，必須解決幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題:電子束高精度掃描成像曝光效率低；電子在抗蝕劑和基片中的散射和背射現(xiàn)象引起的鄰近效應(yīng)；實(shí)現(xiàn)納米尺度加工中的電子抗蝕劑、電子束曝光、顯影和刻蝕等工藝技術(shù)問題。

實(shí)踐證明，應(yīng)用電子束鄰近校正技術(shù)、電子束曝光與光學(xué)曝光系統(tǒng)匹配、混合光刻技術(shù)和抗蝕劑曝光工藝優(yōu)化技術(shù)是提高電子束光刻系統(tǒng)實(shí)際光刻分辨率的非常有效的途徑。電子束光刻最重要的是金屬化剝離。第一步是掃描光刻膠表面所需的圖案。第二部是將曝光的圖形進(jìn)行顯影，去除未曝光的部分。第三部在形成的圖形上沉淀金屬，第四部將光刻膠去除，在金屬剝離的過程中，關(guān)鍵在于光刻工藝的膠型控制。最好使用厚膠，有利于膠水的滲透，形成清晰的形狀。

超透鏡：下一代光學(xué)革命

科普作家彭天放老師說，超透鏡技術(shù)的發(fā)展讓他感觸最深的就是，杰出的創(chuàng)新往往是前沿技術(shù)相互交叉的成果。超透鏡這種大規(guī)模的納米級(jí)立體結(jié)構(gòu)，必須要通過芯片加工中一種叫做“電子束光刻”的前沿工藝，才能制造出來。如今，在深度學(xué)習(xí)技術(shù)的加持之下，又進(jìn)一步在拍攝效果上實(shí)現(xiàn)了大幅度的突破。

近日，光刻機(jī)巨頭阿斯麥透露，他們正在研發(fā)新一代光刻機(jī)，預(yù)計(jì)2025年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。與目前最先進(jìn)的極紫外光刻機(jī)相比，新一代光刻機(jī)的主要改進(jìn)在于更先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)。比如將原來的0.33光圈鏡頭換成更銳利的0.55光圈鏡頭，實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，可以減少1.7倍的芯片特征，增加2.9倍的芯片密度。這個(gè)具體的技術(shù)原理就不展開了，但從這里我們可以知道，光刻機(jī)技術(shù)的先進(jìn)性有相當(dāng)一部分上取決于光學(xué)技術(shù)的先進(jìn)性。

我們知道，差不多20年前，攝影技術(shù)發(fā)生了一場(chǎng)重大革命，那就是數(shù)碼相機(jī)逐漸取代了膠片相機(jī)。但是，相機(jī)里還有一類重要器件，幾百年來本質(zhì)上沒有變過——光學(xué)鏡片。今天的手機(jī)、相機(jī)和光刻機(jī)鏡片在原理上類似于400年前伽利略觀察太空的望遠(yuǎn)鏡的鏡片。

彭老師告訴我們，攝影技術(shù)的第二次大革命即將發(fā)生，它將發(fā)生在幾百年不變的光學(xué)鏡頭領(lǐng)域。掀起這項(xiàng)革命性的新技術(shù)被稱為“超透鏡”。

11月29日，普林斯頓大學(xué)的研究人員在《自然通訊》上發(fā)表了一組用超透鏡拍攝的照片。這種超透鏡的直徑只有大約1毫米，大約一粒鹽的大小。

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2011年，美國(guó)哈佛大學(xué)的卡帕索教授針對(duì)透鏡系統(tǒng)越來越重的問題提出了新的思路。他發(fā)現(xiàn)，不用透鏡，利用一種非常精細(xì)的平面結(jié)構(gòu)，也可以實(shí)現(xiàn)偏折光線的效果。這就是超透鏡的由來。

超透鏡是平面的，就像芯片一樣。放大看就會(huì)發(fā)現(xiàn)上面整齊排列著幾百萬個(gè)尺寸只有幾百納米的細(xì)微結(jié)構(gòu)。這些細(xì)微結(jié)構(gòu)的大小與可見光的波長(zhǎng)相似。當(dāng)光在傳播過程中遇到這些結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)發(fā)生一些意想不到的變化。例如，有的光線會(huì)劇烈地拐彎，有的呢則會(huì)徑直通過。理論上，如果這些細(xì)微結(jié)構(gòu)被精確地設(shè)計(jì)和排列，一個(gè)扁平的“玻璃片”就可以用來實(shí)現(xiàn)各種透鏡的功能。好好想想如果能夠用一個(gè)鹽粒大小的超透鏡來拍照，有誰還會(huì)使用笨重的傳統(tǒng)鏡頭呢？

然而，目前超透鏡技術(shù)仍然面臨許多挑戰(zhàn)，舉兩個(gè)明顯的例子。比如用超透鏡很難拍攝彩色照片。這是因?yàn)椴煌伾墓饩哂胁煌牟ㄩL(zhǎng)，并且在通過超透鏡的細(xì)微結(jié)構(gòu)之后，偏折的程度不同。再比如細(xì)微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也很困難。試想一下，對(duì)數(shù)以百萬計(jì)的細(xì)微結(jié)構(gòu)，要精確地找到每個(gè)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)形狀和尺寸，背后的計(jì)算量太大，所以只能用一些簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)方案。

普林斯頓大學(xué)研究人員用超透鏡拍攝的照片可以與傳統(tǒng)鏡頭拍攝的相媲美。他們是怎么做到的？這是本次研究中非常重要的創(chuàng)新——將深度學(xué)習(xí)引入到超鏡頭的圖像處理中。剛才提到的超透鏡的很多“先天缺陷“，以及加工過程中可能出現(xiàn)的后天瑕疵，都可以通過深度學(xué)習(xí)進(jìn)行建模和矯正。

具體來說，就是讓超透鏡拍攝現(xiàn)有的圖片，然后將拍攝的圖片與原始圖片進(jìn)行比較，然后就可以找到一個(gè)函數(shù)來定量描述這個(gè)超透鏡的缺陷或者說“特征”。然后，用這個(gè)超鏡頭拍攝其他東西的時(shí)候，就可以用這個(gè)函數(shù)對(duì)圖片進(jìn)行反方向校正畫面，從而得到高質(zhì)量的照片。強(qiáng)調(diào)一下，這種校正方法不同于一些用AI填充圖片細(xì)節(jié)的算法。AI填充可以看作是一種“腦補(bǔ)”，這種函數(shù)就是“還原”。

為了解決傳統(tǒng)分散化的基礎(chǔ)設(shè)施部署模式存在的問題，大數(shù)據(jù)一體機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。作為面向大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、展現(xiàn)全環(huán)節(jié)、軟硬一體化的方案型產(chǎn)品，大數(shù)據(jù)一體機(jī)實(shí)現(xiàn)了軟硬件的預(yù)集成與預(yù)優(yōu)化，解決了原有架構(gòu)的擴(kuò)展瓶頸和新技術(shù)條件下的客戶應(yīng)用門檻，可以快速滿足深度學(xué)習(xí)等行業(yè)用戶對(duì)于人工智能等高負(fù)載應(yīng)用的性能需求，降低系統(tǒng)部署的復(fù)雜性和 TCO，提升交付靈活性。

藍(lán)海大腦的深度學(xué)習(xí)一體機(jī)，通過框架平臺(tái)、基礎(chǔ)系統(tǒng)、算力支撐以及液冷GPU服務(wù)器對(duì)圖片經(jīng)過深度學(xué)習(xí)一體機(jī)進(jìn)行鑒別與輸出結(jié)果，大大的節(jié)省了人力物力及時(shí)間成本。

審核編輯：符乾江