Whoscored中文官网 | 编译自 Synopsys 光学和光电子解决方案博客
2022年10月19日，Synopsys公司举办了其年度光电子研讨会，涵盖了集成光电子市场上出现的新能力和新趋势。
研讨会由Synopsys公司光电子设计解决方案事业部总监Twan Korthorst揭开序幕，他指出，2022年的研讨会选择在10月21日这一周举行，这一天是国际光电子日。39年前，即1983年10月21日，计量大会通过了采用300,000公里/秒 -- 或者更准确地说，是299,792.458公里/秒作为光的传播速度! Twan邀请听众聆听并思考在光数据通信之外，光电子集成电路的相关应用和趋势是什么。
在研讨会上发言的人有：
Jose Pozo，Optica公司的首席技术官
Eric Mounier, Yole集团市场研究总监、研究员
Suresh Venkatesan，POET技术公司首席执行官
Duncan MacFarlane，美国南卫理公会大学教授
Mitch Thornton，美国南卫理公会大学Cecil H. Green工程系主任和教授
Saeed Fathololoumi，英特尔共封装光学光电子集成电路技术负责人
Vikas Gupta，Global Foundries硅基光电子学产品管理高级总监
Yuval Shay，Synopsys公司光电子解决方案产品营销总监
一、Optica公司首席技术官Jose Pozo在研讨会上首先发言
他认为光电子学正在成为一种半导体技术。集成光电子技术已经进入了广泛的产品和技术领域，这使得整个通信市场达到了约4.1万亿美元，约占94万亿美元全球经济价值的5%。通信服务代表着骨干能力，使人们能够通过像亚马逊这样的服务在网上订购几乎任何东西，将娱乐流传到家中，并使用3D相机举行虚拟家庭团聚。Pozo指出，集成光电子学正在找到它们在各种应用中的位置，如显示、生命科学、工业工具、照明、消费者安全和能源生产。简而言之，光电子学和电子学一样，现在正在赋能全球经济发展。
Pozo指出，广泛采用集成光电子学的最大挑战是缺乏从事光电子学工作的人才。现在非常需要受过物理和科学教育的人，在这个新生的市场上有很多机会可以大展拳脚。从事集成光电子学工作的人的前景是 "光明的"！
二、Yole集团市场研究总监、研究员Eric Mounier博士在研讨会上发言
Mounier简要介绍了Yole集团180多个合作者所做的工作，然后开始解释当今的集成光电子学市场和技术趋势。Mounier解释说，目前90%的光电子学主要市场是在光通信设备方面。随着从100Gbps到400Gbps的推进，这个市场将继续扩大，然后是带电子开关的ASIC的共封装光电子学，将迅速从26.6Tbps发展到51.2Tbps。
硅基光电子学已经在2公里到80公里的数据通信市场上找到了一个甜蜜点，并且正在研究高速光计算和光互连。后者是由降低HPC的功耗和减少延迟，以实现分解数据中心的需求所驱动的。然而，集成光电子设计开始的真正增长，将是在汽车的LiDAR以及光纤陀螺仪（FOG）、医疗保健的免疫测定和OCT、消费者医疗保健的可穿戴设备传感器、以及用于人工智能和量子计算的光电子光计算加速器和高性能计算（HPC）的光互连领域。据预测，硅基光电子芯片的收入将从2021年的1.52亿美元增加到2027年的约9.7亿美元，年复合增长率为36%。
关键的技术挑战包括更好的激光集成、先进的封装，包括小芯片设计、硅通孔（TSVs）、光电子插板，以及用于更快的光电子调制的新材料。设计工具和方法必须扩大，以使这些新系统的设计和测试取得成功。
三、POET技术公司的首席执行官Suresh Venkatesan博士在研讨会上发言
他介绍了POET将晶圆级芯片规模封装扩展到光电子系统的想法。POET把组装、封装和测试数十亿复杂的异构系统，看成是主要的行业挑战。他们正在采用将具有电子和光电子连接的通用插板，用最佳的小芯片进行异质整合。插板使复杂的系统可以用已知的好芯片来构建，插板的互连测试在晶圆水平上完成。
主要的想法是通过增加光电子连接来扩展电子插板的概念。这样做的好处是消除了线束，降低了功耗和小芯片之间的寄生效应。POET称其为光电子插板。所有的工艺都是在整个晶圆上完成的，一次有几百个，是一个自动化的过程。光电子插板有电气和光学层，可以在8英寸或12英寸晶圆上加工。插板上的电气和光电子小芯片的混合集成就是POET所说的光引擎。
这种解决方案的一个关键好处是它使用传统的倒装芯片加工技术。无源电气和光电子元件被印在硅插板上，而有源元件使用混合集成作为小芯片封装到插板上。光电子插板支持夹在电子层之间的两个不相互作用的光波导层。光可以垂直或水平地耦合进来和出去。该技术支持硅通孔（TSV），因此插板的两面都可以使用。POET还在光电子插板中设计了热隔离和管理，以使热量远离敏感的光电子元件，如激光器和谐振装置。Venkatesan展示了小尺寸的100G和400G收发器的例子，这些收发器的空分复用通道从8个到16个，运行速度从1.6Tbps到3.2Tbps，与使用分离元件的设计相比，尺寸减少了75%。Venkatesan还指出，由于没有线束和金属线迹，信号完整性要好得多。由于信号完整性更好，POET现在正在研究完全去除DSP的想法，这有可能消除DSP所消耗的6到8瓦的功率。
四、南卫理公会大学（SMU）教授Duncan MacFarlane博士在研讨会上发言
他简要介绍了他在集成光电子学方面的工作历史，包括1994年在体积显示中使用的二维有源光电子晶格。最近，MacFarlane一直在研究基于沟槽的小型1×2和2×2光电子耦合器和分离器，其面积比标准架构减少了25倍。这些耦合器和分离器被用来制造用于量子计算的Hadamard and Christensen门。
五、同样来自SMU的Mitch Thornton教授在研讨会上发言
介绍了一个名为MustangQ的量子计算门模型，它既可以作为一个量子编译器，也可以作为一个量子计算设计自动化工具。MustangQ使用户能够使用Verilog RTL来为他们的量子设计的规格。SMU采用Synopsys Design Compiler综合工具和MustangQ将设计综合为组合逻辑，然后将该表示映射到用户指定的门单元库。这一步的输出可以直接发送到量子计算机上运行，也可以用来创建一个量子计算的Q-ASIC芯片。技术映射是在给定的量子计算架构的特定量子单元库中完成的。MustangQ支持依据从综合得到的连接性对这些光电子电路进行布局布线。这是极其令人振奋的工作，我们期待着一旦器件在AIM光电子公司的代工厂生产出来，就能看到结果。
六、英特尔公司的联合封装光学和光电子集成电路（CPO和PIC）技术负责人Saeed Fathololoumi博士在研讨会上发言
据说，量子计算机将比今天最好的计算机快几千倍。想象一下，为了养活这些计算怪物，将会出现怎样的数据瓶颈。英特尔公司的联合封装光学和光电子集成电路（CPO和PIC）技术负责人Saeed Fathololoumi博士做的，是对量子计算讨论的一个完美跟进。
Fathololoumi的演讲题目是："用于光计算互连的集成光电子电路"。他通过回顾计算和处理率的历史开始讨论光计算互连（OCI）。在2000年代中期，单线程和处理率趋于饱和，行业转向整合内核，以实现更多的并行计算来提高计算性能。由于处理器内核数量的大量增加，计算瓶颈转移到了片外I/O带宽，以及驱动处理器集群之间的片外信号所需的功率跃升。不久之后，芯片I/O和互连所需的功率就超过了计算所需的功率。Fathololoumi总结说，带宽密度和信号延迟必须大幅提高，而OCI被视为满足这些需求的一个推动因素。
Fathololoumi指出，在英特尔的愿景中，电子芯片（EIC）和光电子小芯片是分开的，以允许使用每个领域的最佳技术。三维堆叠被用来实现EIC和PIC之间的低损耗、高带宽通信。EIC包含数字计算逻辑、信号到光格式的转换、以及驱动和控制组件，而PIC则处理所有的发射、接收和光纤耦合。英特尔在PIC上集成了激光器和SOA，以降低功耗和提高整个系统的可靠性。
系统的好处包括：计算扩展和资源共享的能力，更高的封装产量，可直接插入EIC的光电子器件，在封装前对已知的好芯片进行基于晶圆的测试，更低的功率，更高的带宽密度，在同一芯片上集成所有光电子元件时的成本更低和可靠性更高。
Fathololoumi介绍了一个典型的OCI架构框图，该架构有8个激光器，使用200GHz的间隔，通过微环谐振器调制和过滤。偏振管理和信号放大在接收端完成，之后信号被交织成偶数和奇数通道，并被发送到单独的光电二极管。Fathololoumi还谈到了用于32Gbps以上的技术，并指出了其他行业活动，如DARPA PIPEs计划，以及AyarLabs和NVIDIA在类似架构上的努力。在讨论的最后，他提出了一个OCI扩展路线图，显示了在使用64G NRZ和16个波长的情况下，整体扩展速度从1 Tbps/光纤， 到使用128G PAM4双极性和64个波长时，大于10 Tbps/光纤。
七、GlobalFoundries的硅光电子产品管理高级总监Vikas Gupta在研讨会上发言
Gupta比较了集成电子学和光电子学的发展路径。他指出，CMOS射频性能在大约45纳米CMOS工艺节点达到顶峰。因此，GlobalFoundries选择这个工艺节点作为其光电子产品的基础，该产品由业界唯一的单片硅基平台组成，该平台将高速RFCMOS和光电子技术融合在同一个芯片上。这种300毫米晶圆工艺被称为GF Fotonix，并在2022年初获得认证。工艺设计套件（PDK）可用于多种设计工具平台， PDK包括有源和无源元件，有多种针对数据中心通信应用的器件。
根据Gupta的说法，完整的光电子设计到制造生态系统需要四个要素，即批量PIC制造、EDA、IP和封装。GlobalFoundries在过去几年中一直与领先的EDA供应商努力合作，推出了一个强大的光电子PDK，可与EDA设计工具一起用于电路级光电子IC设计。PDK是晶圆厂和客户之间的一个隐性合同，表明你用PDK设计的任何东西都确实可以制造。PDK也是一个抽象的层次，允许设计者工作在电路层面而不是器件层，使更复杂的设计能够被创建和制造。
对于光电子IP生态系统，Gupta指出，PDK是IP生态系统的基础，它以用可编程布局单元、符号和仿真模型的形式， 来提供预表征的构建块。然而，客户仍有机会创建特定的应用IP，如TIA、调制驱动器、DAC/ADC、带加热器控制的光电子DWDM滤波器，以及最终为特定终端应用部门创建的小芯片。
关于封装，Gupta认为封装成本和行业对大批量制造的准备程度，是市场全面采用集成光电子技术的主要障碍。GlobalFoundries正在研究与封装有关的项目，以减少采用的障碍。这方面的例子包括低成本的无源光纤连接、回流焊兼容装配w/Cu-P和Cu u-pillars、2.5D兼容性、直接激光连接、JEDEC规格（如适用）以及承诺为客户的封装需求启用微电子OSAT模型。
八、Synopsys公司硅光电子产品管理部主任Yuval Shay是当天的最后一位发言人
Shay重申，Synopsys认为集成光电子设计开始于前面发言人提到的所有细分市场，并赞同Pozo关于需要更多光电子设计工程师的意见。Shay指出，Synopsys的光电子设计平台的设计目的是使CMOS设计者能够使用熟悉的类似AMS的设计流程来进入集成光电子技术。这方面的例子包括：使用原理图驱动的布局，利用布局的反标效果进行仿真，电气和光电子布局与原理图的检查，以及针对曲线布局的设计规则检查。
光电子与电子可通用的编辑器
用于曲线布局的自动全角度支持
自动波导连接，具有约束驱动的波导总线连接
使用反标的波导连接进行准确的光电子布局后仿真
光电子电路和系统级仿真
电/光协同仿真
基于链接的仿真，具有驱动器、接收器、光纤、光放大器和分析的模型
自定义器件工具流程，设计者可以用自己的器件来扩充代工厂的PDK
麦克斯韦方程求解器，用于器件特性分析和CAD视图生成
Signoff级别的DRC和LVS验证，以确保设计的器件可制造
Shay在演讲的最后透露，Synopsys公司拥有世界上最大的软件开发团队，致力于所有光学和光电子学的研究。 Synopsys很早就认识到了光学和光电子学的重要性，十多年来一直在稳步地收购技术和人才。Synopsys为成像、照明、光电子工艺和器件协同优化、电路和系统级集成光电子、以及电子-光电子共封装提供广泛的设计解决方案。
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