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　　美国集成光电子系统路线图|电子光子设计自动化（EPDA）的趋势与挑战
　　
　　简介
　　
　　本文为大家介绍麻省理工学院的Microphotonics Center（MphC与PhotonDelta ）在2024年三月底联合发布的 Integrated Photonic System Roadmap-International（IPSR-I）当中的Electronic-Photonic Design Automation（EPDA）篇。集成光电子行业正处于激动人心的时刻，该技术近年来取得了巨大进步，但要进一步发展并成为主流技术，还需要解决设计自动化方面的几个关键挑战。我们的目标是提供一个统一的电子-光子设计自动化（EPDA）环境，利用半导体行业的方法，同时结合光电子的特定要求，从而利用庞大的电子集成电路（IC）设计社区。本教程以 2024 年集成光子系统路线图 （IPSR-I）为基础，探讨 EPDA 的现状和未来发展路线图。
　　
　　光电子设计的独特性
　　
　　光电芯片（PIC） 在 193 THz 左右的光频率下工作，比电子器件高出几个数量级。这就要求采用不同的仿真技术、时间步长和求解器来模拟双向、多模态光信号。光电子布局趋向于曲线化，以尽量减少弯曲处的光损耗。这些与电子集成电路基于物理的独特差异，促使 EPDA 环境中需要专用的光子设计自动化 （PDA）解决方案，以及传统的电子设计自动化 （EDA） 工具。
　　
　　EPDA 关键组件
　　
　　端到端 EPDA 流程涉及多个协同工作的重要组件：
　　
　　1.组件仿真
　　
　　2.链路仿真
　　
　　3.设计实现
　　
　　4.物理验证
　　
　　5.系统和功能验证
　　
　　图 1. 设计自动化和 PDK 支持项目和优先级的 "紫砖墙 "（待克服障碍）概览。
　　
　　元件仿真
　　
　　受限于光学性能的无源光子器件仿真已经发展成熟，拥有精确的商业仿真工具。由于物理过程复杂，对调制器和激光器等有源组件进行建模更具挑战性。虽然已经有了复杂的模型，但由于缺乏来自工厂足够的测量数据和模型校准，经验不足的 PIC 设计人员在设计链路时将受到限制。
　　
　　链路仿真
　　
　　EDA供应商开发链路仿真模型和设计流程，以便使用工艺设计工具包 （PDK） 进行 PIC 设计。模拟设计中常见的原理图驱动布局（SDL）正在被越来越多地采用--捕捉原理图、仿真并确保布局匹配。光电协同仿真对于单片硅基光电子技术也变得很重要。
　　
　　表 1： 开发里程碑和各自的优先级别。
　　
　　设计实施
　　
　　SDL 流程允许从原理图创建布局，并可进行布局后性能验证。这种关注点的分离为拥有不同技能的协作团队提供了支持。为实现可扩展性，需要光电子布局布线等自动布局功能。
　　
　　物理验证
　　
　　如果 PDK 能正确编纂规则，曲线光子布局的设计规则检查 （DRC） 就能迎刃而解。光电子布局与原理图（LVS）是新兴功能，需要在整个生态系统中进一步成熟。
　　
　　系统与功能验证
　　
　　在更广泛的光学/电气系统中评估 PIC 就需要扩展仿真模型（如光纤、发射器/接收器行为）和符合行业标准的指标。
　　
　　图 2. 逍遥科技的PIC Studio为光电元件、链路及系统设计提供全面且具有开放接口的工具链。整合了PhotoCAD、pSim、pSim Plus、Advanced SDL 和 pMaxwell 等工具，并实现数据库的互联互通，为用户提供了极大的灵活性和便利
　　
　　路线图优先事项
　　
　　1.近期优先事项（<2026 年）
　　
　　表 2： 短期内解决方案的方向。
　　
　　具有成熟元件模型的原理图驱动布局范例很重要，可实现布局自动生成、布线和验证。电子/光电子技术的相互连接也是重要的，这样可以进行协同设计、优化和光电协同模拟。提取电子/光学寄生和支持多域分析（射频、热、机械）的重要性与日俱增。
　　
　　实现这些功能的自动化需要软件供应商和代工厂的投资：
　　
　　代工厂提高 PDK 质量（模型、统计数据、设计规则）
　　
　　合作制定标准/接口（PDAFlow 基金会、OpenEPDA）
　　
　　整合光子/电子设计工具
　　
　　2.长期优先事项 （~2030）
　　
　　表 3：长期解决方案的方向。
　　
　　展望未来，EPDA 流程必须扩展到使用三维异构集成数字、模拟、射频和光电子芯片的完整多芯片系统。采用多物理场（电气/光学/热学/机械）模型和 DfX（测试/良品率/可靠性设计）方法的 PDK/组装设计工具包变得重要。
　　
　　重要的是，EPDA 环境必须涵盖所有当前和新兴的光子平台--硅、磷化铟、氮化硅、铌酸锂、砷化镓、聚合物等。最后，教育和培养一支多学科 EPDA 设计人员队伍。
　　
　　图 3. PhotoCAD光电子版图工具，可实现更快速，更高性能以及更高集成度的PIC
 
　　
　　图 4. 逍遥科技的 pSim 以及 pSim Plus 支持系统级以及光电联合仿真设计
　　
　　结论
　　
　　尽管电子-光子设计自动化仍处于新兴阶段，但代表了在各种应用中实现可扩展 PIC 部署的途径。目前仍有大量工作要做-成熟组件模型、实现跨领域分析、连接电子/光电子设计、实现流程自动化以及开发多物理场系统级功能。
　　
　　不过，只要利益共同体的协同投资，软件供应商、代工厂和 PIC 设计人员继续合作，EPDA 就能释放集成光电子技术在许多行业的全部变革潜力。随着关键设计基础设施的发展和成熟，未来几年将是激动人心的时期。
　　
　　参考文献
　　
　　[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.