【ZiDongHua 之設計自動化收錄關鍵詞：電子設計自動化 EDA 集成電路】
　　
　　美國集成光電子系統(tǒng)路線圖|電子光子設計自動化（EPDA）的趨勢與挑戰(zhàn)
　　
　　簡介
　　
　　本文為大家介紹麻省理工學院的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）當中的Electronic-Photonic Design Automation（EPDA）篇。集成光電子行業(yè)正處于激動人心的時刻，該技術近年來取得了巨大進步，但要進一步發(fā)展并成為主流技術，還需要解決設計自動化方面的幾個關鍵挑戰(zhàn)。我們的目標是提供一個統(tǒng)一的電子-光子設計自動化（EPDA）環(huán)境，利用半導體行業(yè)的方法，同時結(jié)合光電子的特定要求，從而利用龐大的電子集成電路（IC）設計社區(qū)。本教程以 2024 年集成光子系統(tǒng)路線圖 （IPSR-I）為基礎，探討 EPDA 的現(xiàn)狀和未來發(fā)展路線圖。
　　
　　光電子設計的獨特性
　　
　　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數(shù)量級。這就要求采用不同的仿真技術、時間步長和求解器來模擬雙向、多模態(tài)光信號。光電子布局趨向于曲線化，以盡量減少彎曲處的光損耗。這些與電子集成電路基于物理的獨特差異，促使 EPDA 環(huán)境中需要專用的光子設計自動化 （PDA）解決方案，以及傳統(tǒng)的電子設計自動化 （EDA） 工具。
　　
　　EPDA 關鍵組件
　　
　　端到端 EPDA 流程涉及多個協(xié)同工作的重要組件：
　　
　　1.組件仿真
　　
　　2.鏈路仿真
　　
　　3.設計實現(xiàn)
　　
　　4.物理驗證
　　
　　5.系統(tǒng)和功能驗證
　　
　　圖 1. 設計自動化和 PDK 支持項目和優(yōu)先級的 "紫磚墻 "（待克服障礙）概覽。
　　
　　元件仿真
　　
　　受限于光學性能的無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。由于物理過程復雜，對調(diào)制器和激光器等有源組件進行建模更具挑戰(zhàn)性。雖然已經(jīng)有了復雜的模型，但由于缺乏來自工廠足夠的測量數(shù)據(jù)和模型校準，經(jīng)驗不足的 PIC 設計人員在設計鏈路時將受到限制。
　　
　　鏈路仿真
　　
　　EDA供應商開發(fā)鏈路仿真模型和設計流程，以便使用工藝設計工具包 （PDK） 進行 PIC 設計。模擬設計中常見的原理圖驅(qū)動布局（SDL）正在被越來越多地采用--捕捉原理圖、仿真并確保布局匹配。光電協(xié)同仿真對于單片硅基光電子技術也變得很重要。
　　
　　表 1： 開發(fā)里程碑和各自的優(yōu)先級別。
　　
　　設計實施
　　
　　SDL 流程允許從原理圖創(chuàng)建布局，并可進行布局后性能驗證。這種關注點的分離為擁有不同技能的協(xié)作團隊提供了支持。為實現(xiàn)可擴展性，需要光電子布局布線等自動布局功能。
　　
　　物理驗證
　　
　　如果 PDK 能正確編纂規(guī)則，曲線光子布局的設計規(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，需要在整個生態(tài)系統(tǒng)中進一步成熟。
　　
　　系統(tǒng)與功能驗證
　　
　　在更廣泛的光學/電氣系統(tǒng)中評估 PIC 就需要擴展仿真模型（如光纖、發(fā)射器/接收器行為）和符合行業(yè)標準的指標。
　　
　　圖 2. 逍遙科技的PIC Studio為光電元件、鏈路及系統(tǒng)設計提供全面且具有開放接口的工具鏈。整合了PhotoCAD、pSim、pSim Plus、Advanced SDL 和 pMaxwell 等工具，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的互聯(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
　　
　　1.近期優(yōu)先事項（<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)動布局范例很重要，可實現(xiàn)布局自動生成、布線和驗證。電子/光電子技術的相互連接也是重要的，這樣可以進行協(xié)同設計、優(yōu)化和光電協(xié)同模擬。提取電子/光學寄生和支持多域分析（射頻、熱、機械）的重要性與日俱增。
　　
　　實現(xiàn)這些功能的自動化需要軟件供應商和代工廠的投資：
　　
　　代工廠提高 PDK 質(zhì)量（模型、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、設計規(guī)則）
　　
　　合作制定標準/接口（PDAFlow 基金會、OpenEPDA）
　　
　　整合光子/電子設計工具
　　
　　2.長期優(yōu)先事項 （~2030）
　　
　　表 3：長期解決方案的方向。
　　
　　展望未來，EPDA 流程必須擴展到使用三維異構(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（電氣/光學/熱學/機械）模型和 DfX（測試/良品率/可靠性設計）方法的 PDK/組裝設計工具包變得重要。
　　
　　重要的是，EPDA 環(huán)境必須涵蓋所有當前和新興的光子平臺--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)一支多學科 EPDA 設計人員隊伍。
　　
　　圖 3. PhotoCAD光電子版圖工具，可實現(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)級以及光電聯(lián)合仿真設計
　　
　　結(jié)論
　　
　　盡管電子-光子設計自動化仍處于新興階段，但代表了在各種應用中實現(xiàn)可擴展 PIC 部署的途徑。目前仍有大量工作要做-成熟組件模型、實現(xiàn)跨領域分析、連接電子/光電子設計、實現(xiàn)流程自動化以及開發(fā)多物理場系統(tǒng)級功能。
　　
　　不過，只要利益共同體的協(xié)同投資，軟件供應商、代工廠和 PIC 設計人員繼續(xù)合作，EPDA 就能釋放集成光電子技術在許多行業(yè)的全部變革潛力。隨著關鍵設計基礎設施的發(fā)展和成熟，未來幾年將是激動人心的時期。
　　
　　參考文獻
　　
　　[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.