【ZiDongHua 之設(shè)計(jì)自動(dòng)化收錄關(guān)鍵詞：電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 EDA 集成電路】
　　
　　美國(guó)集成光電子系統(tǒng)路線圖|電子光子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EPDA）的趨勢(shì)與挑戰(zhàn)
　　
　　簡(jiǎn)介
　　
　　本文為大家介紹麻省理工學(xué)院的Microphotonics Center（MphC與PhotonDelta ）在2024年三月底聯(lián)合發(fā)布的 Integrated Photonic System Roadmap-International（IPSR-I）當(dāng)中的Electronic-Photonic Design Automation（EPDA）篇。集成光電子行業(yè)正處于激動(dòng)人心的時(shí)刻，該技術(shù)近年來(lái)取得了巨大進(jìn)步，但要進(jìn)一步發(fā)展并成為主流技術(shù)，還需要解決設(shè)計(jì)自動(dòng)化方面的幾個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。我們的目標(biāo)是提供一個(gè)統(tǒng)一的電子-光子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EPDA）環(huán)境，利用半導(dǎo)體行業(yè)的方法，同時(shí)結(jié)合光電子的特定要求，從而利用龐大的電子集成電路（IC）設(shè)計(jì)社區(qū)。本教程以 2024 年集成光子系統(tǒng)路線圖 （IPSR-I）為基礎(chǔ)，探討 EPDA 的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展路線圖。
　　
　　光電子設(shè)計(jì)的獨(dú)特性
　　
　　光電芯片（PIC） 在 193 THz 左右的光頻率下工作，比電子器件高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這就要求采用不同的仿真技術(shù)、時(shí)間步長(zhǎng)和求解器來(lái)模擬雙向、多模態(tài)光信號(hào)。光電子布局趨向于曲線化，以盡量減少?gòu)澢幍墓鈸p耗。這些與電子集成電路基于物理的獨(dú)特差異，促使 EPDA 環(huán)境中需要專用的光子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 （PDA）解決方案，以及傳統(tǒng)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化 （EDA） 工具。
　　
　　EPDA 關(guān)鍵組件
　　
　　端到端 EPDA 流程涉及多個(gè)協(xié)同工作的重要組件：
　　
　　1.組件仿真
　　
　　2.鏈路仿真
　　
　　3.設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
　　
　　4.物理驗(yàn)證
　　
　　5.系統(tǒng)和功能驗(yàn)證
　　
　　圖 1. 設(shè)計(jì)自動(dòng)化和 PDK 支持項(xiàng)目和優(yōu)先級(jí)的 "紫磚墻 "（待克服障礙）概覽。
　　
　　元件仿真
　　
　　受限于光學(xué)性能的無(wú)源光子器件仿真已經(jīng)發(fā)展成熟，擁有精確的商業(yè)仿真工具。由于物理過(guò)程復(fù)雜，對(duì)調(diào)制器和激光器等有源組件進(jìn)行建模更具挑戰(zhàn)性。雖然已經(jīng)有了復(fù)雜的模型，但由于缺乏來(lái)自工廠足夠的測(cè)量數(shù)據(jù)和模型校準(zhǔn)，經(jīng)驗(yàn)不足的 PIC 設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)鏈路時(shí)將受到限制。
　　
　　鏈路仿真
　　
　　EDA供應(yīng)商開(kāi)發(fā)鏈路仿真模型和設(shè)計(jì)流程，以便使用工藝設(shè)計(jì)工具包 （PDK） 進(jìn)行 PIC 設(shè)計(jì)。模擬設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的原理圖驅(qū)動(dòng)布局（SDL）正在被越來(lái)越多地采用--捕捉原理圖、仿真并確保布局匹配。光電協(xié)同仿真對(duì)于單片硅基光電子技術(shù)也變得很重要。
　　
　　表 1： 開(kāi)發(fā)里程碑和各自的優(yōu)先級(jí)別。
　　
　　設(shè)計(jì)實(shí)施
　　
　　SDL 流程允許從原理圖創(chuàng)建布局，并可進(jìn)行布局后性能驗(yàn)證。這種關(guān)注點(diǎn)的分離為擁有不同技能的協(xié)作團(tuán)隊(duì)提供了支持。為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性，需要光電子布局布線等自動(dòng)布局功能。
　　
　　物理驗(yàn)證
　　
　　如果 PDK 能正確編纂規(guī)則，曲線光子布局的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查 （DRC） 就能迎刃而解。光電子布局與原理圖（LVS）是新興功能，需要在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中進(jìn)一步成熟。
　　
　　系統(tǒng)與功能驗(yàn)證
　　
　　在更廣泛的光學(xué)/電氣系統(tǒng)中評(píng)估 PIC 就需要擴(kuò)展仿真模型（如光纖、發(fā)射器/接收器行為）和符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)。
　　
　　圖 2. 逍遙科技的PIC Studio為光電元件、鏈路及系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供全面且具有開(kāi)放接口的工具鏈。整合了PhotoCAD、pSim、pSim Plus、Advanced SDL 和 pMaxwell 等工具，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的互聯(lián)互通，為用戶提供了極大的靈活性和便利
　　
　　路線圖優(yōu)先事項(xiàng)
　　
　　1.近期優(yōu)先事項(xiàng)（<2026 年）
　　
　　表 2： 短期內(nèi)解決方案的方向。
　　
　　具有成熟元件模型的原理圖驅(qū)動(dòng)布局范例很重要，可實(shí)現(xiàn)布局自動(dòng)生成、布線和驗(yàn)證。電子/光電子技術(shù)的相互連接也是重要的，這樣可以進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)、優(yōu)化和光電協(xié)同模擬。提取電子/光學(xué)寄生和支持多域分析（射頻、熱、機(jī)械）的重要性與日俱增。
　　
　　實(shí)現(xiàn)這些功能的自動(dòng)化需要軟件供應(yīng)商和代工廠的投資：
　　
　　代工廠提高 PDK 質(zhì)量（模型、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)規(guī)則）
　　
　　合作制定標(biāo)準(zhǔn)/接口（PDAFlow 基金會(huì)、OpenEPDA）
　　
　　整合光子/電子設(shè)計(jì)工具
　　
　　2.長(zhǎng)期優(yōu)先事項(xiàng) （~2030）
　　
　　表 3：長(zhǎng)期解決方案的方向。
　　
　　展望未來(lái)，EPDA 流程必須擴(kuò)展到使用三維異構(gòu)集成數(shù)字、模擬、射頻和光電子芯片的完整多芯片系統(tǒng)。采用多物理場(chǎng)（電氣/光學(xué)/熱學(xué)/機(jī)械）模型和 DfX（測(cè)試/良品率/可靠性設(shè)計(jì)）方法的 PDK/組裝設(shè)計(jì)工具包變得重要。
　　
　　重要的是，EPDA 環(huán)境必須涵蓋所有當(dāng)前和新興的光子平臺(tái)--硅、磷化銦、氮化硅、鈮酸鋰、砷化鎵、聚合物等。最后，教育和培養(yǎng)一支多學(xué)科 EPDA 設(shè)計(jì)人員隊(duì)伍。
　　
　　圖 3. PhotoCAD光電子版圖工具，可實(shí)現(xiàn)更快速，更高性能以及更高集成度的PIC
 
　　
　　圖 4. 逍遙科技的 pSim 以及 pSim Plus 支持系統(tǒng)級(jí)以及光電聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)
　　
　　結(jié)論
　　
　　盡管電子-光子設(shè)計(jì)自動(dòng)化仍處于新興階段，但代表了在各種應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展 PIC 部署的途徑。目前仍有大量工作要做-成熟組件模型、實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域分析、連接電子/光電子設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)流程自動(dòng)化以及開(kāi)發(fā)多物理場(chǎng)系統(tǒng)級(jí)功能。
　　
　　不過(guò)，只要利益共同體的協(xié)同投資，軟件供應(yīng)商、代工廠和 PIC 設(shè)計(jì)人員繼續(xù)合作，EPDA 就能釋放集成光電子技術(shù)在許多行業(yè)的全部變革潛力。隨著關(guān)鍵設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展和成熟，未來(lái)幾年將是激動(dòng)人心的時(shí)期。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　
　　[1]T. Korthorst, T. Daspit, and the IPSR-I Design Automation Technology Working Group, "Electronic-Photonic Design Automation," in 2024 Integrated Photonic Systems Roadmap - International (IPSR-I), March 2024.