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年來最激動人心且極具突破性的研究:《改進半導(dǎo)體工藝開發(fā)的人機協(xié)作》,該文章由泛林集團九名研究人員合著。
此前曾擔任泛林集團首席技術(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雜志的這篇文章對比了人類工程師與機器以最低目標成本(即最少的實驗次數(shù))開發(fā)半導(dǎo)體工藝的情況。為此,研究人員們創(chuàng)建了對比人類和計算機算法表現(xiàn)的比賽,在比賽中雙方需要設(shè)計一個半導(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,而算法在目標的嚴格公差附近更具成本效益,這一洞察引出了“先人后機”的方法。相比由具有七年以上經(jīng)驗的專業(yè)工藝工程師獨自開發(fā)工藝,“先人后機”可以將目標成本降低一半。 該研究的重要性:對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),由此實現(xiàn)節(jié)省數(shù)百萬美元和無數(shù)的時間成本,泛林集團擁有可量化的證據(jù)。進一步了解這項突破性的研究。
1 阿伏伽德羅常量
制造一個芯片,我們需要為它開發(fā)專門的制造工藝。然而,每個工藝實驗可能都要花費幾分鐘至幾個小時,然后還需要幾個小時準備用于測量(度量)的樣品。對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幾千美元。按一年計算,這些步驟極其昂貴且耗時。
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“摩爾定律”說法的借鑒也暗示了這個問題正變得棘手,工程師在開發(fā)晶圓工藝時可調(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(對于核心部分來說正接近阿伏伽德羅常量的數(shù)量級)。
Rick表示:“參數(shù)空間的排列組合數(shù)量已經(jīng)達到阿伏伽德羅常量的數(shù)量級,我們無法承擔測試其中的所有選項,這是不可能的。事實上,你甚至無法為大數(shù)據(jù)分析創(chuàng)建足夠的數(shù)據(jù)集。一百批實驗需要花費近50萬美元和半年時間,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?基準在哪里呢?”
正因如此,Keren萌生了進行比賽的想法。她想到了Garry Kasparov和Deep Blue(深藍)之間那場著名的國際象棋比賽,并認為我們的專業(yè)工藝工程師可以充當Garry的角色。不過,使用哪個工藝呢?
- 在實驗室中進行這項比賽是不切實際的,因為它花費的時間太長、成本太高,而且會有太多變量影響研究結(jié)果。
- Rick是Keren的上司,他建議進行虛擬比賽,這樣無論多少玩家都能在同樣的工藝上進行多次比賽。
- 繼2019年創(chuàng)建原型、并在2020年歷時三個多月創(chuàng)建出更加成熟的版本之后,虛擬刻蝕工藝誕生了。
這個虛擬工藝可以讓人類與算法之間進行比賽,從而評估不同算法之間、算法與人類工程師間的對抗。
Keren解釋說:“虛擬環(huán)境讓我們能完全掌控比賽,并實現(xiàn)系統(tǒng)化的評估?!?/p>
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”。對于給定的配方,模擬器會輸出指標以及晶圓上輪廓的橫截面圖。目標輪廓與不符合預(yù)期的其他輪廓示例會一同進行展示。比賽的目標是以最低的目標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,只靠機器還不能完成專業(yè)工藝工程師的工作;如果機器和編寫算法的數(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,機器遠遠不能打敗人類。換句話說,人類工程師對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協(xié)作中,計算機算法可以而且最終也確實打敗了人類工程師。
由論文中的“方法”定義的進度追蹤器對軌跡進行了監(jiān)測。當進度追蹤器顯示為0時,表示目標達成。高級工程師的軌跡標綠,初級工程師的軌跡標藍。圖中也特別突出了獲得比賽勝利的專家(即高級工程師 1)的軌跡,并標出“先人后機”策略中A到E幾個轉(zhuǎn)移點。
泛林的研究結(jié)果指出了一條通過結(jié)合人機優(yōu)勢大幅降低目標成本的道路。文章的幾位作者總結(jié)道:“通過這個方法,我們將利用這些半導(dǎo)體工藝所推動的計算能力,加速半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。實際上,就像著名畫家埃舍爾的作品《互繪的手》,人工智能也將進行自我創(chuàng)建。”