誰(shuí)在提前布局光子賽道？

光子技術(shù)正在成為新一代半導(dǎo)體技術(shù)。

就像電子技術(shù)一樣，光子技術(shù)如今正在推動(dòng)全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。據(jù)預(yù)測(cè)，從2021年到2027年，硅光子芯片收入將從1.52億美元增長(zhǎng)到約9.7億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)36%。目前通信設(shè)備占據(jù)光子市場(chǎng)90%的份額。隨著網(wǎng)速?gòu)?00 Gbps提升到400 Gbps，再到采用電子開關(guān)ASIC的共封裝光子器件迅速?gòu)?6.6 Tbps發(fā)展到51.2 Tbps，這個(gè)市場(chǎng)還將持續(xù)擴(kuò)大。 集成光子設(shè)計(jì)的真正增長(zhǎng)點(diǎn)將發(fā)生在汽車行業(yè)的激光雷達(dá)和光纖陀螺儀（FOG）、醫(yī)療行業(yè)的免疫測(cè)定和光學(xué)相干斷層掃描（OCT）、消費(fèi)保健行業(yè)的可穿戴設(shè)備傳感器、人工智能和量子計(jì)算行業(yè)的光計(jì)算加速器，以及高性能計(jì)算（HPC）行業(yè)的光互連等領(lǐng)域。

硅光子技術(shù)的主要挑戰(zhàn)則包括更好的激光集成、先進(jìn)的封裝（包括小芯片設(shè)計(jì)）、硅通孔（TSV）、光子中介層，以及可加快光子調(diào)制的新材料。開發(fā)者需要更好的設(shè)計(jì)工具和方法，才能成功設(shè)計(jì)和測(cè)試這些新系統(tǒng)。

英特爾案例分享

用于光計(jì)算的集成光子電路

2000年后，單線程和處理速率趨于飽和，行業(yè)轉(zhuǎn)向了集成內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)更多的并行計(jì)算，以此提高計(jì)算性能。由于處理器內(nèi)核數(shù)量的大幅增加，計(jì)算瓶頸轉(zhuǎn)移到了片外I/O帶寬，以及驅(qū)動(dòng)各類處理器之間的片外信號(hào)所需的功耗提升。不久之后，芯片I/O和互連所需的功耗就超過了計(jì)算所需的功耗。所以說，帶寬密度和信號(hào)延遲必須大幅提高，而光計(jì)算互聯(lián)（OCI）則在滿足這些需求上起著重要作用。

在英特爾的構(gòu)想中，電子小芯片（EIC）和光子小芯片（PIC）是分開的，這樣就可以分別使用各領(lǐng)域的出色技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)電子小芯片和光子小芯片之間的低損耗、高帶寬通信，英特爾采用了3D堆疊技術(shù)。電子小芯片包含變速箱邏輯、信號(hào)到光的格式轉(zhuǎn)換，以及驅(qū)動(dòng)和控制組件，而光子小芯片則處理所有的發(fā)射、接收和光纖耦合。英特爾在電子小芯片上集成了激光器和SOAs，從而降低功耗并提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

這一系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)包括：能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算擴(kuò)展和資源共享，電子小芯片可插拔光子學(xué)封裝產(chǎn)量更高，封裝前能夠?qū)σ阎细衤闫M(jìn)行基于晶圓的測(cè)試。而且在同一裸片上集成所有光子組件時(shí)，功耗更低、帶寬密度更高、成本更低、可靠性更高。

英特爾的一個(gè)典型OCI架構(gòu)有8個(gè)激光器，并通過微環(huán)諧振器使用200GHz的間隔進(jìn)行調(diào)制和濾波。偏振管理和信號(hào)放大在接收端完成，之后信號(hào)會(huì)以交替方式注入偶數(shù)和奇數(shù)通道，并發(fā)送到單獨(dú)的光電二極管。英特爾的一個(gè)OCI擴(kuò)展路線圖顯示了單條光纖速度的擴(kuò)展情況，從使用64G NRZ和16個(gè)波長(zhǎng)時(shí)只有1 Tbps，一直到使用128G PAM4雙極性和64個(gè)波長(zhǎng)時(shí)大于10 Tbps。

Global Foundries案例分享

集成電子技術(shù) V.S. 光子技術(shù)

CMOS的RF性能在大約45nm CMOS節(jié)點(diǎn)處達(dá)到頂峰。因此，Global Foundries (GF) 選擇了該節(jié)點(diǎn)作為其光子產(chǎn)品的基礎(chǔ)，其光子產(chǎn)品采用業(yè)界唯一的單片硅基平臺(tái)，將高速RF-CMOS和光子融合在同一個(gè)芯片上。這種300mm晶圓工藝稱為GF Fotonix，已于2022年初獲得認(rèn)證。GF針對(duì)多種設(shè)計(jì)工具平臺(tái)提供了工藝設(shè)計(jì)套件（PDK）。該P(yáng)DK包括有源和無(wú)源組件，以及各種針對(duì)數(shù)據(jù)中心通信應(yīng)用的器件。

從光子設(shè)計(jì)到制造的完整生態(tài)系統(tǒng)需要四個(gè)要素，即批量PIC制造、EDA、IP和封裝。過去幾年，GF一直與領(lǐng)先的EDA供應(yīng)商合作，推出了一個(gè)強(qiáng)大的光子PDK，該P(yáng)DK可與EDA設(shè)計(jì)工具一起用于電路級(jí)光子芯片設(shè)計(jì)。該P(yáng)DK相當(dāng)于代工廠和客戶之間的隱性合同，表明用該P(yáng)DK設(shè)計(jì)的任何芯片均可制造。該P(yáng)DK也充當(dāng)了一個(gè)抽象層次，讓開發(fā)者可以在電路層面而非器件層面開展設(shè)計(jì)，從而創(chuàng)建和制造更復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

對(duì)于光子IP生態(tài)系統(tǒng)，該P(yáng)DK以可編程布局單元、符號(hào)和仿真模型的形式來提供預(yù)表征的構(gòu)建塊，是IP生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。不過，企業(yè)仍可以創(chuàng)建應(yīng)用專用IP，如TIA、調(diào)制驅(qū)動(dòng)器、DAC/ADC、具有加熱器控制的光子DWDM濾波器，以及為特定終端應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)建的小芯片。

在封裝方面，封裝成本和行業(yè)在大批量生產(chǎn)上的技術(shù)成熟程度是集成光子技術(shù)全面普及的主要障礙。GF正在積極研發(fā)封裝相關(guān)技術(shù)，以減少集成光子技術(shù)的采用障礙，其中包括低成本無(wú)源光纖連接、具有w/Cu-P和Cu u-pillars的回流兼容組裝、2.5D兼容性、直接激光連接、JEDEC規(guī)格（如適用）和可滿足客戶封裝需求的微電子OSAT模型。

POET案例分享

光子中介層

將晶圓級(jí)芯片封裝拓展到光子系統(tǒng)中十分具有挑戰(zhàn)性，其中最主要的挑戰(zhàn)之一就是對(duì)數(shù)十億復(fù)雜的異構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行組裝、封裝和測(cè)試。開發(fā)者們使用兼具電子和光子連接的通用中介層，對(duì)優(yōu)質(zhì)小芯片進(jìn)行異構(gòu)集成。借助中介層，開發(fā)者可以用已知合格的裸片來構(gòu)建復(fù)雜的系統(tǒng)，并在晶圓層面完成中介層互連測(cè)試。

POET Technologies（POET）是數(shù)據(jù)中心、電信和人工智能市場(chǎng)中領(lǐng)先的光中介層與光子集成電路設(shè)計(jì)企業(yè)，他們提出了“光子中介層”的概念，即通過增加光子連接來擴(kuò)展電子中介層。這樣做的好處是消除了引線鍵合，降低了功耗并減少了小芯片之間的寄生效應(yīng)，所有工藝均在完整的晶圓上通過自動(dòng)化流程完成，一次可處理數(shù)百個(gè)。光子中介層具有電層和光層，可以采用8英寸或12英寸晶圓進(jìn)行加工。中介層上混合集成了電子小芯片和光子小芯片，POET稱之為“光學(xué)引擎”。

這一解決方案的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是它使用的是傳統(tǒng)的倒裝芯片工藝技術(shù)。無(wú)源電子組件和光子組件印刷在硅中介層上，而有源組件以小芯片的形式混合集成到中介層上。光子中介層支持在電子中介層之間放置兩個(gè)不相互作用的光波導(dǎo)層。光可以垂直或水平地耦合輸入和輸出。該技術(shù)支持硅通孔（TSV），因此中介層的兩面都可以使用。如果在光子中介層中設(shè)計(jì)熱隔離和管理，還能讓熱量遠(yuǎn)離激光器和諧振器件等敏感的光子元件。

在POET的幾個(gè)小型100G和400G的收發(fā)器中，其空分復(fù)用通道從8個(gè)到16個(gè)不等，速度介于1.6 Tbps和3.2 Tbps之間，與使用分立組件的設(shè)計(jì)相比，尺寸縮小了75%。由于沒有引線鍵合，信號(hào)完整性會(huì)更好。正因?yàn)樾盘?hào)完整性更好，POET目前正在考慮完全去除DSP，這樣還可以再減少6瓦到8瓦的功耗。

新思科技布局

光學(xué)及光子學(xué)領(lǐng)域數(shù)十年

新思科技光子設(shè)計(jì)平臺(tái)旨在讓CMOS開發(fā)者能夠使用與AMS類似的熟悉設(shè)計(jì)流程來推動(dòng)集成光子設(shè)計(jì)。這方面的示例包括使用由原理圖驅(qū)動(dòng)的布局，利用布局的反向注釋進(jìn)行仿真，電子和光子版圖與原理圖一致性檢查，以及針對(duì)曲線布局而調(diào)整的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查。

幾乎所有光子芯片最終都會(huì)與電子芯片進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，兩者有時(shí)還會(huì)進(jìn)行共封裝。EIC和PIC的協(xié)同設(shè)計(jì)和共封裝為EDA供應(yīng)商帶來了更多的挑戰(zhàn)，新思科技正在與客戶一起應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。

以下是新思科技光子解決方案的獨(dú)特功能：

• 兼顧光子與電子技術(shù)的編譯器
• 用于曲線布局的自動(dòng)化全角度支持
• 自動(dòng)波導(dǎo)連接，具有約束驅(qū)動(dòng)的波導(dǎo)總線連接
• 使用反向波導(dǎo)連接進(jìn)行準(zhǔn)確的布局后光子仿真
• 光子電路和系統(tǒng)級(jí)仿真
• 電子/光學(xué)聯(lián)合仿真
• 基于鏈接的仿真，具有驅(qū)動(dòng)器、接收器、光纖、光放大器和分析模型
• 自定義器件工具流程，開發(fā)者可以用自己的器件來增強(qiáng)代工廠PDK
• 用于器件表征和CAD視圖生成的麥克斯韋方程求解器
• 簽核質(zhì)量的DRC和LVS，以確保器件可制造

新思科技很早就意識(shí)到了光學(xué)和光子學(xué)的重要性。十多年來，新思科技一直在穩(wěn)步獲取相關(guān)技術(shù)和人才，現(xiàn)已擁有一支龐大的軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)來從事光學(xué)和光子學(xué)方面的研究工作。新思科技可提供廣泛的光學(xué)和光子設(shè)計(jì)解決方案，適用于成像、照明、光子工藝和器件協(xié)同優(yōu)化、電路和系統(tǒng)級(jí)集成光子學(xué)，以及電子/光子共封裝等領(lǐng)域。