光子學將獨樹一幟 進入發(fā)展的曲線階段

在過去，IC和EDA都會成為年度預測的焦點，但是最近我把注意力轉向了光子學這個領域。

歷史上，光子學一直是GaAs砷化鎵的技術;過去是，現(xiàn)在是，將來也是。分析師永遠都在預測光子學何時能夠崛起;2020年，隨著摩爾定律在電子領域的終結或放緩，光子學將獨樹一幟，進入發(fā)展的曲線階段。雖然光子學正以驚人的速度在我們的技術生態(tài)系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色，但預計的爆炸性增長還沒有發(fā)生。

有幾個原因。首先，光子學并不遵循摩爾定律：光的波長就是光的波長，它是一個常數(shù);它只是沒有每兩年減半，所以由摩爾定律驅動的電子技術的顯著進步不適用于光子學。

其次，工程師們不斷地突破電子領域曾被認為是不可逾越的障礙。因此，光子學取代電子學應用仍然被越來越聰明的電子設計所取代。

最后，光子學生態(tài)系統(tǒng)還沒有進化到足以支撐一個大規(guī)模的商業(yè)市場。在過去的半個世紀里，電子學已經(jīng)發(fā)展成為今天復雜、運轉良好的設計和制造系統(tǒng)，但這種發(fā)展還沒有發(fā)生在光子學上。今天的光子學生態(tài)系統(tǒng)仍然與20世紀80年代早期的電子生態(tài)系統(tǒng)最為相似。

2019年，更多的大公司收購了主要的光電子供應商，比如思科收購了Luxtera，現(xiàn)在Acacia Communications， II-VI收購了全球領先的光通訊產(chǎn)品供應商Finisar，博通從富士康收購了它們的光收發(fā)設備資產(chǎn)。許多人認為光子學時代即將到來，電信供應商也將會開發(fā)出領先的光子學解決方案。

2020年光子學會成為焦點嗎？

光子學的發(fā)展會變得越來越相關，然后會普遍的存在，最后在越來越短的距離上占主導地位。今天，電信通過光纖（一種以光子學為主的應用）傳送到數(shù)公里外的家庭和商務旅行中?，F(xiàn)在光子學已經(jīng)進入了數(shù)據(jù)中心。全球范圍內的超大型規(guī)模數(shù)據(jù)中心都在與功耗、成本、熱量、帶寬和數(shù)據(jù)延遲作斗爭。用光纖代替銅線解決了所有這些問題。與銅相比，光纖更便宜、更快、延遲更短、帶寬更高、消耗的電力更少，從而降低了熱量和電力成本。

光纖在數(shù)據(jù)中心機架之間的接管已經(jīng)基本完成，光纖已經(jīng)轉移到同一機架相互連接的服務器上。因此，光子學已經(jīng)從在公里距離上的優(yōu)勢，發(fā)展到在十米距離上的普及，再到在一米距離上的相關性。2020年，光子集成電路（PIC）將在商業(yè)上更加普及，使光子技術在毫米范圍內得到應用。今后將繼續(xù)整合光子學，包括激光，芯片與電子，移動光子學的相關性到微米級別。

隨著以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速度在2020年繼續(xù)從100G遷移到200G，光子學在光纖兩端所需的收發(fā)器中變得更有吸引力了，100G的擴建工程已基本完成。到2020年，向著200G的過渡將順利進行，早期用戶將轉向400G。通過巧妙的設計，電子產(chǎn)品可以以100G的速度傳輸，但是光子學更強，市場上有很多100G的光子學收發(fā)器設計。但是400G以后，電子產(chǎn)品將會失去它在收發(fā)機市場的控制力，而光子學將會嶄露頭角。當我們達到800G和1T（遠遠超過2020年）時，光子學將完全占據(jù)主導地位，甚至連一個電子收發(fā)器都找不到。

FANG組合 （Facebook、Amazon/Apple、Netflix、Google）組建的光子設計團隊正專注于按照他們自己的規(guī)格調整的光子收發(fā)器，這是2020年的一個新趨勢，這將加速光子在數(shù)據(jù)中心的主導地位。對龐大的數(shù)據(jù)中心進行評級后，他們將從為自己的特定需求而設計的光子設計中獲益良多，就像我們所看到的FANG設計自己的IC一樣。到2020年，我們可能看不到這項活動的成果，但它將顯著提高世界光子設計能力，加速商業(yè)光子生態(tài)系統(tǒng)的演化。

由小型商業(yè)或研發(fā)晶圓廠的主導，如SMART Photonics、LionX、Ligentec、imec、Leti和AIM，今天的光電子晶圓廠一般是面向研發(fā)或提供MPW（多項目晶圓），而非大型商業(yè)運行。雖然固態(tài)晶圓廠在其光電子產(chǎn)品（如用于激光的磷化銦）方面處于領先地位，但這些晶圓廠目前還不具備推動大型商業(yè)市場的能力，而且它們還沒有機會發(fā)展大型半導體晶圓廠在過去幾十年里建立起來的極端客戶支持流程。

FANG是全球領先半導體代工廠的主要客戶。晶圓廠注意到光子設計活動的增加，并已進入或正在考慮進入光子業(yè)務。這將加速它的商業(yè)化，這些晶圓廠可以利用他們的生產(chǎn)知識、經(jīng)驗和技能來建立成熟的生態(tài)系統(tǒng)。

在過去的幾年里，領先的半導體代工廠如TowerJazz和GlobalFoundries開始為光電子業(yè)務提供服務。到2020年，其他主要的半導體晶圓廠將進入光電子行業(yè)。這些晶圓廠的加入將使硅光子學成為合法的商業(yè)企業(yè)。光子學為晶圓廠提供了一個很好的優(yōu)勢：不需要尖端技術。這就意味著不需要大規(guī)模的電子產(chǎn)品研發(fā)和資本投資。相反，光子學會利用充分資本化的半導體制造設備來賺取可觀的利潤。

工藝開發(fā)工具包（PDK）的出現(xiàn)是光子技術成熟的標志。第一個光子PDK出現(xiàn)在大約兩年前，隨著晶圓廠提供針對各種設計工具的PDK，它們開始變得流行起來。與半導體晶圓廠提供的庫相比，這些PDK往往比較原始，但它們是走向成熟的商業(yè)光子學生態(tài)系統(tǒng)的重要一步，需要晶圓廠與光子設計自動化（PDA）公司之間建立強有力的合作關系。從而共同生產(chǎn)新的PDK，并推動現(xiàn)有PDK發(fā)展。由于更多的圖片被制造和測量，因此就會產(chǎn)生足夠的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。2020年將出現(xiàn)基于統(tǒng)計的PDK，使蒙特卡洛和角統(tǒng)計分析在更先進的PDA模擬工具中成為可能。這將形成更穩(wěn)健的設計，進而把重點放在可制造性上，這是光子學商業(yè)化的另一個要求。

老牌EDA廠商注意到了新興的光子電子市場。他們正針對這一市場提供設計工具，并與領先的PDA公司結成關鍵聯(lián)盟，提供完整集成設計流程。去年，Mentor引入了LightSuite光子編譯器，同時利用他們的Tanner工具提供原理圖和布局。Cadence通過ycore引入了曲線功能，使其成為行業(yè)領先的定制設計平臺，成為光電子領域的大師。Mentor和Cadence已經(jīng)將他們的設計流程與領先的光子模擬提供商Lumerical進行了集成。例如，Cadence提供了co模擬功能，使整個設計流程能夠通過Virtuoso座艙進行驅動。Synopsys采取了更多的單干策略。

我預測主要的EDA供應商的加入預示著PDA工具價格的提高。流行EDA工具的平均銷售價格要比PDA工具高很多。這種不平衡是不可持續(xù)的，因為它將阻礙PDA所需的投資和PDA公司在新的EPDA環(huán)境中的競爭力。雖然這種變化不會是突然的，但它將是持續(xù)的。

盡管集成電子-光子設計自動化（EPDA）流程去年就已出現(xiàn)，但隨著統(tǒng)計和制造設計（DFM）功能的增加，到2020年，它們將變得更加復雜。統(tǒng)計方面的考慮將需要更多的算力，因此在2020年，我們還將看到高性能計算應用于PDA上， Amazon AWS和Microsoft Azure將利用其數(shù)據(jù)中心的光子技術，成為在云計算中交付光子技術的重要參與者。

與電子學不同，光子設計只包含幾個精密的元件。許多這樣的元件可以在由晶圓廠提供的PDK中找到，但是每一個前沿的光子設計總是會包含一些重要的元件，這些元件是晶圓廠PDK所不能提供的。這為一些公司創(chuàng)建光子IP （PIP）業(yè)務創(chuàng)造了機會。具有極高的光子設計能力可以獲得廉價的設計工具，可能會在市場上占得先機。這些公司專注于光子設計，并提供卓越的服務。

將光子設計方法進一步精進將提供更高質量、更可制造的設計，并將降低障礙，使光子設計不再需要如此高的門檻。更好的設計將推動光子學在應用上的競爭力。此外，更多合格的設計師將使公司有更強的能力來組建他們的光子設計團隊，從而產(chǎn)生更好的產(chǎn)品和更快的發(fā)展。

我們已經(jīng)看到了來自斯坦福大學和Lumerical與開源社區(qū)合作的光子逆向設計。通過他們的方案，組件設計完成得更簡單了，設計周期大大縮短（幾天，而不是幾個月）。

即使是已發(fā)表的優(yōu)秀設計也在不斷改進，而且往往在幾天內就能完成。光子逆設計的簡化、自動化設計方法將取代目前的手工迭代過程，并有望將在2020年應用于各種光子器件。光子逆設計對光子學的影響類似于20世紀80年代邏輯合成對集成電路設計的影響。它將擴大合格的光子學設計師的圈子，加速光子學設計進入市場的時間。我認為對光子逆向設計的研究類似于提高設計師工作的抽象水平。隨著IC設計抽象水平的提高，集成電路設計師的工作效率如潮水般高漲，我預計光子學設計師的工作效率也會有類似的提高。

應用程序

收發(fā)機：2020年將延續(xù)光子學在數(shù)據(jù)中心的接管趨勢。當我們的傳輸速度從100G增加到200G，再增加到400G時，這一點會變得更加明顯。

激光雷達：在2020年，我們將看到多光子驅動的激光雷達設計的引入。激光雷達是自主車輛的關鍵技術， 但它不可能安裝在日常乘用車上，也不可能安裝在原型車快速旋轉咖啡罐大小的激光雷達上，更不可能將這數(shù)千美元的設備嫁接到日用車上去。大量的初創(chuàng)公司專注于縮減激光雷達的規(guī)模和成本，其中幾家將在2020年公布他們的設計。我們希望看到至少一家知名的激光雷達公司基于光子的激光雷達設計。

激光雷達是一項重大的發(fā)明。但是，特斯拉Elon Musk曾表示，雷達+攝像頭已經(jīng)對自動駕駛起到了顯著的提高，所以激光雷達沒必要存在。Musk這么說是有原因的，這之間的問題是：如何降低激光雷達的成本和尺寸與提高雷達+相機的能力之間的競爭。這場比賽的獲勝者將決定駕駛自動駕駛汽車的光子學應用的命運。

5G： 2020年，我們將看到5G的真正構建。隨著NG-PON2等有利于光子的新技術同時部署在前傳和后傳中，這將推動功率集成電路PIC的發(fā)展。隨著建筑物內的毫米波部署，5G也將出現(xiàn)曲棍球棒效應。但這種更大規(guī)模的5G建設不會真正實現(xiàn)。

傳感器：醫(yī)學是一個特別有趣的領域，在光子學方面有很強的機會。醫(yī)療進步的步伐將更多地由法律法規(guī)而不是技術來決定， 2020年在這一領域將很難看到突破。

AR/VR：據(jù)說預測科技未來最簡單的方法就是看《星際迷航》。《星際迷航》的所有技術最終都會實現(xiàn)。這對光子學來說是個好消息。如果我們要在全息甲板上跳躍，光子學將起很大作用。

量子計算：量子是另一個推動光子學應用的領域。可惜的是，2020年不會是量子年，但我預測至少會有一個重要的量子公告讓我們大吃一驚。這則大新聞將同時一家大型老牌公司和一家初創(chuàng)公司發(fā)布。

總結

所以說，光子學作為未來的技術，將在2020年得到堅實的發(fā)展。隨著大量的應用程序成為關注焦點，會有驚人的增長速度。工程師們在電子技術領域的聰明才智，以及光子學生態(tài)系統(tǒng)的進化，將會大踏步前進。而且，隨著晶圓廠的加入和設計自動化的成熟， 2020年有望是光子技術商業(yè)化的一年。

注釋：

1. FANG

吉姆·克萊默杜撰了“FANG”這個概念?！癋ANG”指的是Facebook、亞馬遜（Amazon）、Netflix與谷歌（Google）四支科技股，它們在股市上均表現(xiàn)出了高成長性。無一例外地，F(xiàn)ANG公司都并沒有在它們各自的生態(tài)里創(chuàng)建出最有價值的內容，它們只是讓這些內容更容易被消費者或用戶所獲取，所以用戶逐漸就通過FANG公司的主頁來發(fā)現(xiàn)內容。如此一來，再加上互聯(lián)網(wǎng)讓渠道免費，這就意味著FANG以它們的方式前所未有地獲取了更大的權力，也有了變現(xiàn)的更多可能。四家FANG公司，每一個都以它們的方式進行技術性創(chuàng)新（特別是谷歌，它甚至被證明是一種規(guī)則），但是它們——恰如Uber——也不可思議地依賴于已經(jīng)存在的產(chǎn)品與基礎設施。它們現(xiàn)在或未來具備統(tǒng)治力的關鍵，是它們對顧客的接近性、出色的用戶體驗，以及在互聯(lián)網(wǎng)之前絕對不可能有的商業(yè)模式。

2. 蒙特卡洛（Monte Carlo）法

蒙特卡洛（Monte Carlo）法是一類隨機算法的統(tǒng)稱。原理是通過大量隨機樣本，去了解一個系統(tǒng)，進而得到所要計算的值。它非常強大和靈活，又相當簡單易懂，很容易實現(xiàn)。對于許多問題來說，它往往是最簡單的計算方法，有時甚至是唯一可行的方法。它誕生于上個世紀40年代美國的“曼哈頓計劃”，名字來源于賭城蒙特卡羅，象征概率。

隨著二十世紀電子計算機的出現(xiàn)，蒙特卡洛法已經(jīng)在諸多領域展現(xiàn)出了超強的能力。在機器學習和自然語言處理技術中，常常被用到的MCMC也是由此發(fā)展而來。