導(dǎo)語(yǔ)
2025第七屆硅光產(chǎn)業(yè)論壇(SiPC2025)
時(shí)間：2025年5月16日
地點(diǎn)：武漢-光谷科技會(huì)展中心
硅基光電子已成為半導(dǎo)體行業(yè)的重要技術(shù)，利用成熟的硅制造基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)引入光學(xué)功能用于數(shù)據(jù)通信、傳感和計(jì)算應(yīng)用。隨著行業(yè)向類似電子集成電路的晶圓廠-無廠模式發(fā)展，專業(yè)設(shè)計(jì)工具對(duì)光電子集成芯片(PIC)開發(fā)變得必不可少。逍遙科技(Latitude Design Automation)的PIC Studio提供了全面解決方案，與晶圓廠生態(tài)系統(tǒng)集成，加速整個(gè)硅基光電子開發(fā)過程[1]。
硅基光電子與晶圓廠-無廠生態(tài)系統(tǒng)
硅基光電子行業(yè)正采用曾革新電子芯片行業(yè)的晶圓廠-無廠模式。這種方法將芯片設(shè)計(jì)(由無廠公司處理)與制造(由晶圓廠管理)分離，實(shí)現(xiàn)專業(yè)化和規(guī)模經(jīng)濟(jì)。
圖1：硅基光電子中的晶圓廠-無廠生態(tài)系統(tǒng)，利用大規(guī)模制造和亞微米級(jí)波導(dǎo)。
硅基光電子通過硅和氧化物之間的高折射率對(duì)比提供關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，使波導(dǎo)尺寸更小、器件更緊湊。這一特性結(jié)合已建立的硅制造基礎(chǔ)設(shè)施，允許大規(guī)模生產(chǎn)具有亞微米特征尺寸的光子元件。
市場(chǎng)已迅速采用線性可插拔光學(xué)(LPO)和光電共封裝(CPO)解決方案，臺(tái)積電、日月光、IBM、博通和Marvell等主要公司正開發(fā)商業(yè)實(shí)施方案。這一趨勢(shì)推動(dòng)了對(duì)專業(yè)設(shè)計(jì)工具的需求，這些工具能與晶圓廠工藝設(shè)計(jì)套件(PDK)接口。
圖2：線性可插拔光學(xué)和光電共封裝技術(shù)的市場(chǎng)采用情況，包含技術(shù)規(guī)格和商業(yè)產(chǎn)品示例。
光電集成挑戰(zhàn)
光子和電子元件的集成帶來獨(dú)特設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。行業(yè)已從橫向集成方法(如GF 45nm單片集成)發(fā)展到更復(fù)雜的垂直集成解決方案。臺(tái)積電的COUPE(緊湊型通用光子引擎)平臺(tái)代表最先進(jìn)技術(shù)，其特點(diǎn)是電子集成電路(EIC)和光電子集成芯片(PIC)分別使用最佳工藝節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)垂直集成，PIC背面有四層氮化硅波導(dǎo)布線。EIC采用先進(jìn)的7nm或更好工藝節(jié)點(diǎn)，PIC采用優(yōu)化的65nm工藝，并精確控制關(guān)鍵尺寸，變化小于2nm。
圖3：光電集成技術(shù)從格芯45nm橫向集成到臺(tái)積電垂直集成方法的演變，包含多層光學(xué)布線。
這些先進(jìn)集成方法需要復(fù)雜模擬工具，不僅可以建模單個(gè)元件，還能模擬整個(gè)系統(tǒng)，包括光學(xué)和電子域之間的交互。
PIC Studio: 統(tǒng)一設(shè)計(jì)解決方案
逍遙科技的PIC Studio提供全面工具集，覆蓋從元件級(jí)設(shè)計(jì)到完整芯片和系統(tǒng)級(jí)集成的整個(gè)硅基光電子開發(fā)工作流程。
該套件包括：
pSim Plus（支持各種協(xié)議和信號(hào)類型的系統(tǒng)級(jí)模擬器）
pSim（光子電路的電路級(jí)模擬器）
PhotoCAD（布局設(shè)計(jì)環(huán)境）
Advanced SDL（基于Python的布局示意圖設(shè)計(jì)語(yǔ)言）
pLogic（具有版圖規(guī)則設(shè)計(jì)功能的原理圖工具）
pMaxwell（電磁求解器）
pVerify（物理驗(yàn)證工具）
圖4：PIC Studio的統(tǒng)一工作流程，展示不同工具如何相互連接，提供從元件到系統(tǒng)級(jí)的完整設(shè)計(jì)解決方案。
該平臺(tái)設(shè)計(jì)用于與各種晶圓廠PDK和Assembly設(shè)計(jì)套件(ADK)配合使用，在設(shè)計(jì)師和制造合作伙伴之間創(chuàng)建無縫接口。PIC Studio支持眾多晶圓廠，包括武粵光電、Tower Semiconductor、SiLTerra、南智光電等。
圖5：PIC Studio支持的廣泛晶圓廠生態(tài)系統(tǒng)，與全球主要硅基光電子制造設(shè)施的合作伙伴關(guān)系。
先進(jìn)分析和驗(yàn)證功能
PIC Studio包括幾項(xiàng)創(chuàng)新功能，用于高級(jí)設(shè)計(jì)驗(yàn)證：
1. DRC和布局驗(yàn)證：pVerify工具提供基于Windows的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC)功能，允許設(shè)計(jì)師根據(jù)晶圓廠制造規(guī)則驗(yàn)證布局。用戶可以基于層屬性和幾何約束定義自定義驗(yàn)證規(guī)則。
圖6：該圖展示了pVerify中的DRC驗(yàn)證過程，說明用戶如何定義層規(guī)則并檢查布局是否符合制造要求。
該工具可自動(dòng)修復(fù)布局問題，如可能導(dǎo)致制造問題的銳角：
圖7：光子波導(dǎo)中銳角的自動(dòng)修復(fù)過程，提高設(shè)計(jì)的可制造性。
2. 布局后模擬：PIC Studio使設(shè)計(jì)師能夠通過集成PhotoCAD布局與pSim模擬引擎來執(zhí)行布局后模擬。這一工作流程有助于驗(yàn)證實(shí)際布局實(shí)現(xiàn)是否符合預(yù)期性能：
圖8：布局后模擬功能，已實(shí)現(xiàn)的布局可直接分析光學(xué)性能。
該平臺(tái)還包括優(yōu)化功能，可顯著提高模擬性能，對(duì)于光計(jì)算應(yīng)用的速度提升可達(dá)13倍：
圖9：該圖展示了不同復(fù)雜度光子網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)化結(jié)果，顯示模擬速度顯著提升。
先進(jìn)波導(dǎo)光柵設(shè)計(jì)
AWG Wizard工具自動(dòng)化設(shè)計(jì)陣列波導(dǎo)光柵(AWG)，這是波分復(fù)用應(yīng)用的關(guān)鍵元件。這一專業(yè)工具提供自動(dòng)GDS生成，適用于1×N、N×N和M×N AWG配置；與FDTD協(xié)同模擬，實(shí)現(xiàn)精確建模；用于快速性能估計(jì)的分析模塊；以及工藝變異分析。
圖10：1×16 AWG設(shè)計(jì)案例研究，包含詳細(xì)參數(shù)和模擬性能指標(biāo)。
Assembly設(shè)計(jì)套件集成
PIC Studio為Assembly設(shè)計(jì)套件(ADK)提供先進(jìn)支持，這對(duì)于準(zhǔn)備光子設(shè)計(jì)用于封裝和與其他元件集成非常重要。PhotoCAD中的ADK框架允許用戶生成具有定義光學(xué)和電氣接口的標(biāo)準(zhǔn)化芯片框架，在框架內(nèi)自動(dòng)放置和布線元件，在光學(xué)元件之間創(chuàng)建波導(dǎo)布線，并在電氣焊盤和器件之間實(shí)現(xiàn)金屬走線。
圖11：PhotoCAD中ADK框架的實(shí)現(xiàn)，顯示自動(dòng)生成的具有光學(xué)和電氣接口的芯片框架。
ADK框架使復(fù)雜光子電路如光學(xué)相控陣(OPA)的快速實(shí)現(xiàn)成為可能：
圖12：ADK框架內(nèi)光學(xué)相控陣設(shè)計(jì)的自動(dòng)波導(dǎo)布線。
圖13：完整OPA布局，包含光學(xué)波導(dǎo)和電氣連接，展示集成設(shè)計(jì)能力。
測(cè)試和制造集成
PIC Studio還包括測(cè)試設(shè)計(jì)套件(TDK)功能，彌合設(shè)計(jì)和制造驗(yàn)證之間的差距。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)提供將布局端口與物理測(cè)試點(diǎn)關(guān)聯(lián)的JSON映射文件，自動(dòng)光纖對(duì)準(zhǔn)和探針定位，不同器件類型的預(yù)編程測(cè)試序列，以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)分析。
圖14：自動(dòng)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，展示設(shè)計(jì)信息如何流向測(cè)試設(shè)備以及結(jié)果如何處理。
設(shè)計(jì)、測(cè)試和模擬的集成創(chuàng)建了一個(gè)閉環(huán)工作流程，加速開發(fā)周期并提高良率：
圖15：系統(tǒng)集成框架，在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的開發(fā)周期中連接PhotoCAD、pSim Plus和TDK平臺(tái)。
結(jié)論
PIC Studio代表了硅基光電子設(shè)計(jì)的全面方法，解決晶圓廠-無廠生態(tài)系統(tǒng)的獨(dú)特挑戰(zhàn)。通過與晶圓廠PDK、ADK和測(cè)試框架的緊密集成，使設(shè)計(jì)師能夠高效地從概念轉(zhuǎn)向制造。
主要技術(shù)創(chuàng)新包括布局后模擬功能，性能提升超過10倍，自動(dòng)AWG設(shè)計(jì)工具，以及全面的DRC/LVS驗(yàn)證，解決了光子芯片設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵難點(diǎn)。
逍遙科技當(dāng)前正專注于三個(gè)技術(shù)方向：人工智能輔助光子設(shè)計(jì)、異構(gòu)集成支持和跨晶圓廠合作。這些發(fā)展方向反映了硅基光電子應(yīng)用領(lǐng)域正在擴(kuò)展，從傳統(tǒng)通信向光計(jì)算、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳感等新領(lǐng)域拓展。
參考來源
[1] Latitude Design Automation, "PIC Studio 協(xié)同 Foundry 生態(tài)系加速硅光芯片全流程開發(fā)," presented at the 7th Silicon Photonics Industry Forum (SiPC2025), Wuhan, China, May 16, 2025.
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