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PIC Studio与三大EDA光电芯片设计工具的对比

陈昇祐，深圳Whoscored中文官网

摘要

随着集成光电子技术从分立器件向复杂的光电芯片转变,先进的设计解决方案变得不可或缺。本文探讨了 Latitude Design Automation (LDA, Whoscored中文官网公司) 的 PIC Studio,其集成环境、专业功能以及灵活的多晶圆厂PDK支持如何赋能用户应对光电集成芯片设计的挑战,并与 Synopsys、Cadence 等传统电子设计自动化EDA工具进行比较。

简介

现代技术对数据的日益需求已经使电子互连不足以为继,需要转变范式。通过操纵光子而不是电子,集成光电子技术在应用于数据中心到自动驾驶汽车等领域时,提高数量级的带宽密度、能效和性能。然而,设计复杂的光电芯片需要专门的定制工具。

对比于 Synopsys和Cadence等电子 EDA 供应商通过在其多物理平台中改装一些光电芯片设计的子功能，Whoscored中文官网的PIC Studio从零开始专门针对光电芯片打造,通过电子EDA设计流程的集成环境、超越以电子EDA为中心工具的专业功能和灵活的多晶圆PDK支持等方面,克服了许多这些挑战。本文讨论 PIC Studio 如何赋能用户实现光电集成芯片的承诺与应对挑战。

现代技术对数据的日益需求已经使电子互连不足以为继,需要转变范式。相较于电子,集成光子学可提高带宽密度和性能。然而,设计复杂的光电芯片需要专门的定制工具。与 Synopsys 和 Cadence 等电子 EDA 工具不同, Whoscored中文官网的 PIC Studio 从零开始专门针对光电芯片设计进行了优化。本文讨论 PIC Studio 如何应对光电集成芯片的独特挑战。

光电集成芯片的挑战

尽管硅基光电子技术利用成熟的 CMOS 制造产线,该技术在版图和设计上有了独特的复杂性。首先,光电链路利用光滑波导而不是矩形电子布线。其次,由于光学干涉和非线性,性能高度依赖于物理布局。第三,光学和电子器件需要协同设计和协同仿真。最后,光电芯片对制造变异极为敏感。这些因素使光电芯片设计与传统电芯片电路设计很不同。

尽管利用了 CMOS 制造产线, 硅基光电子芯片设计存在独特的复杂性。性能高度依赖物理布局,光电器件需要协同设计,且对制造变异极为敏感。这使其不同于电子集成电路设计。

由电芯片EDA 工具改装的光电芯片工具

上世纪末,许多 EDA 公司通过改造电子EDA功能用于光电芯片设计自动化。但光电子和电子电路之间的根本差异使这种方法不是最佳方案。受制于以电子为中心的基础,这些工具缺乏:

光电原理图、布局和仿真之间的紧密集成,这对光电芯片设计至关重要。
超越通用 PCell 功能的专业光电子版图编辑和验证功能。
多晶圆和异质集成工艺的平滑工作流程。
考虑光电子、电子和其他多物理效应的协同仿真引擎。
针对 CMOS 和三-五族工艺集成与封装设计。

尽管这些传统 EDA 工具能设计简单的光电集成芯片,但随着复杂性的增加,这些局限性变得有害。新方法需要适当考虑。

PIC Studio 优先考虑光电集成芯片的解决方案

Whoscored中文官网从零开始构建 PIC Studio,专门针对光电芯片进行了优化。它统一了原理图编辑、版图综合、仿真与验证等功能,消除了前后端工具之间的错误。相较强制适应电子 EDA,PIC Studio 通过整体集成和定制提升了用户体验。

PIC Studio 使用先进的版图综合自动完成光电版图。复杂的光学布线和密度驱动布局由算法自动完成,从而提高设计效率。原理图驱动版图设计的精心集成是其设计理念的核心。

PIC Studio 还通过协同仿真优化了光电器件的整体性能。其开放的仿真接口可以集成各种电子和射频仿真器。这实现了光电子协同设计。

使用先进的版图综合自动完成光电芯片布局与绕线

手动实现包含复杂波导和密度敏感几何的大型光电链路布局既费时又乏味，如同手动实现复杂的数字电路版图一样容易出错。PIC Studio 通过先进的版图综合功能克服了这一挑战,它可以自动将光电芯片原理图转换为晶圆工艺可以综合的物理版图。

通过在Advanced SDL绘版代码与版图生成器中基本纳入不同的弯曲半径和平滑曲率过渡等光学约束,PIC Studio 克服了受限于矩形几何的改装后的以电子为中心的工具的缺点。复杂的光学布线和密度驱动的器件放置由算法自动完成,使迭代优化成为可能。

这些版图综合自动化功能通过将创新集中在预期的功能级别上提高了设计师的生产力,而不是强制进行手动布局实现。PIC Studio 专门构建理念的核心原则是前端原理图获取与后端版图综合之间的紧密集成，不是手动事后补救。

统一光电协同仿真

现代光电芯片紧密地组合光学和电子器件,需要通过多物理场协同仿真进行整体协同设计和验证。PIC Studio 的集成数据模型方便统一探索相互关联的光学、电力、热学和机械特性。

这使得可以在考虑诸如电驱动强度、热调谐和机械封装等因素的基础上,整体优化光电芯片性能。PIC Studio 还可与电子/射频Spice仿真工具无缝集成,避免了组合使用不协调工具的工作流程。这种内聚方法非常适合新兴应用,如光电AI 加速器和相控阵,它们能够发挥光子与电子的协同效应。PIC Studio可以集成全球电芯片设计师最信任的电子/射频Spice仿真工具、广受全球晶圆厂认可的物理验证工具以及广受设计师信赖的器件级求解器。PIC Studio用户可以无缝对接多物理域工具，从器件、链路到系统。

适应性强的多晶圆厂PDK工具包支持

晶圆厂提供的工艺设计工具包对于将光电芯片设计转化为可制造布局很关键。但是,对于需要进行大量修改以建立新工艺设计工具包的传统EDA工具来说,支持不同工艺具有挑战性。

PIC Studio 通过其高度模块化的架构克服了这种限制,它可以轻松整合工艺设计工具包数据,包括器件库、设计规则和光学模型。精简的PDK工具包导入程序跳过了冗长的PDK开发周期,使工程师能够快速使用新工艺进行设计。

此外,将 PhotoCAD、L-Edit 和 Calibre 进行跨平台集成的设计方案,以充分利用它们各自的优势,为用户提供灵活可靠的光电子芯片设计解决方案。以下是这种集成方案的主要优势:

1. 自动化与手动布线的优势融合:

PhotoCAD的智能自动化布线:PhotoCAD利用先进的算法实现自动化光电子芯片布线,支持多家主要厂商的工艺设计套件(PDK)。它能够自动连接光电子器件、拓扑优化波导以减小损耗,并生成符合制造规则的器件注解和版图。
L-Edit的手动GUI布线:L-Edit提供成熟的手动图形用户界面(GUI)光电子版图设计功能,设计师可以全面控制复杂布局,调整金属绕线性能,以及使用基于PDK的器件库进行布线。这种手动布线能力使得设计师能够精细调整设计并满足特定要求。

2. 多晶圆厂的PDK支持:

PhotoCAD 和 L-Edit 的集成方案支持多家光电子晶圆厂的工艺设计套件(PDK),如 IMECAS、CEA-Leti、SMART Photonics、AMF、CompoundTek 等。这种联合方案为用户提供了更广泛且丰富的PDK支持,从而在设计流程中更具灵活性。

3. Calibre物理验证:

集成方案还包括了Calibre物理验证,这是全球晶圆厂公认的物理验证黄金标准。它能够自定义光电子设计规则检查,建模复杂的光学行为,识别布局缺陷和制造风险,并支持布局修订的迭代流程。使用Calibre物理验证,可以保证光电子芯片设计的正确性,减少高昂的再次设计风险。

4. 设计流程融合:

PhotoCAD、L-Edit 和 Calibre 的有机融合构建了一个端到端的设计流程。这使得PhotoCAD负责自动化布线,L-Edit提供手动布线能力,而Calibre用于物理验证。设计师可以根据具体需求选择最佳的工具组合,逐步过渡到产品上市,从而提高设计效率和质量,缩短产品上市时间。

这种敏捷性通过组合不同定制或商业光子工艺制造的芯片,实现了成本效益的多晶圆厂设计。PIC Studio 解锁了光电芯片的真正潜力,提供了对领先工艺的无缝对接。

总结

综上所述，EDA巨头在光电芯片设计自动化领域取得了显着成就，而 PIC Studio 通过整体集成、定制功能和灵活的晶圆支持,代表了实现充分利用集成光子潜力所需的新一代设计环境。利用 PIC Studio 的多方面优势,工程师可以应对光子集成的挑战,以加速计算、通信、传感等领域的创新。