技术干货 | 硅基光电子芯片设计自动化的前沿技术及应对挑战的策略

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摘自：深圳逍遥科技，陈昇祐

Keywords: 硅基光电子、设计自动化、电子设计自动化、计算机辅助设计。

硅基光电子技术存在了几十年，但近年来将硅基光电子集成到集成电路中的做法获得了半导体行业的关注。传统的电子芯片设计范式在满足更快信号处理、更低功耗和更小器件尺寸的目标方面面临日益严峻的挑战，向更小的工艺节点发展变得更加困难，相应地周期变长、成本更高。光子学尤其是硅基光电子技术，是帮助该行业克服这些挑战的若干技术之一。

20世纪80年代初, 电芯片主要由具有物理学博士学位和电子器件物理先进知识的工程师设计，并通常由在现场公司工厂由具有材料处理先进知识的类似工程师集体制造。重点主要放在谁能创造出最好(最快、功耗最低、尺寸最小)的晶体管。包含几十甚至几百个晶体管的设计通过手工进行布局。设计中的每个晶体管都通过使用计算机辅助设计(TCAD)工具进行时间耗费的第一性原理仿真进行表征。这种设计方式劳动密集、时间耗费且容易出错、需要高昂的重新设计。

EDA领域在过去五十年中对集成电路设计带来了显着的进步。EDA 指的是使用计算机辅助设计工具来设计、模拟和验证电子电路的功能性，这些功能性是在制造之前确定的。随着集成电路从20世纪70年代的首批微处理器到现代的多核CPU和GPU的复杂性增加，EDA工具在管理这种设计复杂性和实现更高效的工作流程中发挥了关键作用。驱动EDA进步的几个关键因素包括：制造技术、计算能力、设计标准、设计方法和EDA工具本身。由于半导体制造厂的改进，更小的晶体管几何尺寸成为可能，这允许每颗芯片上有更多的晶体管。这使得将完整系统集成到单一芯片上成为可能。更强大的计算机让EDA软件能够快速且准确地处理模拟和验证十亿晶体管设计的复杂性。

标准设计抽象和方法，如寄存器传输级（RTL）设计，已经实现了重用和生产力的增长。EDA工具在诸如逻辑综合、物理设计和形式验证等任务的持续进步已经增加了自动化，并减轻了设计师的负担。

过去五十年中集成电路的复杂性增长是惊人的。首款微处理器，1971年发布的Intel 4004，包含2,300个晶体管，并使用10微米工艺制造。今天的高级CPU，例如2022年发布的Apple M2，使用5纳米制造工艺将超过200亿个晶体管集成到单个芯片上。M2还集成了八个高性能CPU核心、一个16核的神经引擎和10个图形核心，代表了大量的异构计算资源的集成。

没有EDA提供的生产力和复杂性管理能力，这样的集成是不可能的。EDA在将整个系统集成到微小的硅片上方面起到了关键作用，实现了摩尔定律的承诺，并推动了计算机革命。EDA和制造技术的快速进步将继续加速半导体和计算机行业的创新。

而如今，电子芯片行业设计和制造了大规模芯片，包含数十亿晶体管和横跨几十层金属的互连，同时保持了设计至市场的时间控制和避免了高昂的制造和重新设计循环。这种巨大变化得益于整个IC生态系统在组织结构和自动化方面的革新。这始于IC设计和制造的分离，导致了独立制造公司(晶圆厂)和专门设计公司(无晶圆厂设计公司)的出现。到1970年，所有半导体公司都拥有自己的工厂，并在公司内部控制IC生产。但是，像任何制造设施一样，有些时候生产线闲置。为了保持生产，一些半导体公司开始向其他公司出售其超额的制造能力，无晶圆厂半导体设计公司模式由此诞生。到1980年代，集成器件制造商(IDM)和无晶圆厂设计公司的区别已牢固确立。1987年，台湾积体电路制造公司(TSMC)成立，作为第一个“纯晶圆代工”公司，仅为其他公司制造IC。纯晶圆代工的到来使进入半导体业的成本和风险不再高昂，大量晶圆厂设计公司加入了这个市场。

硅基光电子芯片设计自动化正处在类似发展阶段，还存在一些差距，但预计随着产学研各方持续协作，能实现与成熟EDA可比的设计效率和可靠性。

2.1 器件设计

这涉及设计和优化构成功能构建块的各个光电子器件的版图和物理参数，如波导、谐振器、调制器、耦合器和探测器。重点是通过器件几何形状和布局来定制光学特性。使用有限差分时域法(FDTD)、有限元法(FEM)、本征模推进法(EME)等全波电磁场求解器进行仿真驱动的优化。优化目标函数可以包括传输、消光比、品质(Q)因子、灵敏度和与应用相关的其他指标。可以通过包括光刻过程的“虚拟制造”来考虑制造变异性的影响。鲁棒优化技术也可帮助设计对制造偏差具有容错性的器件。尽管这类电磁优化计算量大，但对于从器件物理角度设计高性能光电子器件至关重要。

2.2 系统和链路设计

在更高的抽象层面上，目标是逻辑上连接一组光电子器件以实现所需的系统功能。关键考虑因素在于设计方法:

在版图驱动设计方法中，也有时称为“物理综合”，设计人员直接绘制光电子链路版图，决定器件的物理放置以及它们之间的光学连接，以满足系统目标。对于较小的链路，这可以提供高效的方法，通过对实际器件几何形状的精确控制。然而，这样的方法缺乏层次结构、抽象和自动化，很难扩展到跨越数百个器件的大型链路。

因此，在北美大厂的硅基光电子芯片设计人员越来越多地采用概念上类似电芯片EDA的原理图驱动设计方法。这里，所需的光电子链路架构使用原理图编辑器进行捕获，使用从器件库中定义的器件的抽象符号。原理图中指示器件之间的连接性。这些原理图充当架构规范。物理掩膜版图几何形状是从这个分层原理图自动合成的，同时保持连接性。原理图驱动方法通过层次结构、设计重用和版图自动化提供了管理复杂性的主要优势。高级原理图还可以使用紧凑器件模型进行仿真,以在物理实现之前验证功能。与电子电路的原理图级集成也变得无障碍。

因此，原理图驱动的系统设计已经成为复杂大规模硅基光电子芯片设计的主要方法，类似于电芯片EDA。器件设计和更高层次的系统设计需要不同的技术，但纳米到微米尺度的集成光电系统需要这两种物理驱动和系统驱动方法的组合。随着复杂性和集成水平的不断增长，自动化的原理图驱动系统设计与下层电磁布局和仿真的紧密集成对发挥硅基光电子技术的潜力至关重要。

如前所述，EDA工具对电芯片的过去几十年的惊人复杂度缩放至关重要，支持了数十亿晶体管芯片的可靠自动化设计。随着硅基光电子链路的复杂性增加，采用EDA技术变得高度必要。硅基光电子芯片设计中采用的一些关键EDA范式有：

3.1 原理图获取

使用原理图编辑器获取硅基光电子链路的逻辑架构，使用抽象符号表示波导、耦合器、调制器等光电子器件。原理图上指示组件之间的连接性。这个概念原理图(称为“网表”)可以进行功能仿真，并构成驱动物理版图综合的关键输入。

3.2 层次化重用

链路原理图以较低级别的模块和子链路构建而成。常见的子系统功能被模块化并作为可重用元素设计一次。这避免了冗余重新设计，并实现大规模复杂性的扩展。这些构建块可以表示为“黑盒”允许抽象。

3.3 与电子电路的接口

大多数应用需要将光电子与电子集成。例如，光调制器的电子驱动电路和光探测器的放大器。使用同一原理图编辑器获取光电子和电子子系统。这使得集成系统的协同仿真成为可能,并实现统一的设计流程。

3.4 版图综合

参数化版图生成器单元自动呈现链路版图。来自高级原理图的连接性和器件选择驱动物理版图的组装。通过分层布局实现增强了设计重用。

3.5 设计验证

用于制造能力验证的设计规则检查(DRC)，以及用于功能正确性验证的版图与原理图比较(LVS)等步骤在制造前提供关键的签发 (Signoff)。这减少了高昂的设计调整次数。

3.6 工艺设计工具包 (PDK)

晶圆代工厂提供的库包含经验证的参数化单元、抽象符号、紧凑仿真模型、布局规则、层、分辨率、CD偏差等，以实现特定工艺的实现。PDK有助于设计重用。这些EDA技术通过层次结构、抽象和重用来管理复杂性，同时提高生产力并减少错误。但是，不经定制地直接将传统电子设计技术应用于硅基光电子技术也是不足够的。光电子技术带来了电子设计中不熟悉的约束，例如光路限制、对布局变化的敏感性、复杂的曲线几何以及紧凑建模方面的挑战等。因此，适应EDA范式是硅基光电子设计自动化发展的关键驱动力，但专门针对硅基光电子进行定制的解决方案在实现可扩展性方面也不可或缺。

4.1 需要紧凑模型

电路仿真在原理图驱动设计流程中发挥着至关重要的作用，可以在不制作的情况下预测集成系统行为。但是，大规模光子链路的仿真需要各个器件的紧凑参数化模型，与全波电磁仿真器相比，这些模型可以准确捕获器件物理特性，而计算效率较高。开发这样稳健的经验证的硅基光电子紧凑模型仍是一个持续研究的领域。

4.2 紧凑模型开发

紧凑模型使用分析方程和电路等价物近似表示复杂的光学效应，如色散、传播损耗、非线性现象，其中封装了提取的参数。详细的物理版图被抽象成一组集总性能的汇总参数。生成准确、可扩展的紧凑模型需要大量的器件仿真和实验表征以提取参数。模型在不同仿真工具之间互换的标准化缺乏给带来互操作性方面的问题。

4.3 光电联合仿真

例如微波光子学、传感器和光互连在内的许多应用需要并发仿真电子电路和光电子链路。这需要集成兼容的跨域行为参数化模型和同时处理两个领域的仿真器引擎。联合仿真揭示了电子与光子间的相互作用,同时指导联合设计。

4.4 可变性分析

光电子性能随着纳米级统计制造变异而大幅波动。紧凑模型库必须封装这些效应，以便通过对大量参数变异的蒙特卡罗模拟进行良率分析。相邻器件之间的空间相关也需要建模。相比电子电路，光学效应的复杂性加上多物理相互作用使紧凑建模更具挑战性。在传统以电子为主的EDA工具上实现光学现象如非线性和噪声仍然很困难，晶圆厂参与提供标准化验证的PDK和全面的模型库将带来革命性的进步。还需进一步成熟的针对统计分析、设计居中 (Design centering) 和考虑相关制造变量的优化等方面的技术，开发能实现预测性、关注良率的设计的需求亟待满足。解决紧凑建模和多物理协同仿真的挑战，可能是实现硅基光电子IC CAD可预测性和可靠性的最关键推动力。

尽管原理图驱动设计流程提供了许多层次结构和抽象的好处，但硅基光电子链路最终必须转换为有形的制造布局。这种物理实现涉及某些独特的考虑:

5.1 曲线布局

光电子波导涉及平滑曲线以最小化光损耗，需要真正的曲线几何，不像矩形电子绕线。这给版图生成和验证带来挑战。

5.2 路由约束

光学连接仅限于少量绕线层，不像多层电子金属绕线。波导交叉引入光损耗和反射。大规模光电子芯片的光学布线拥塞通常需要人工干预。这些因素极大地复杂化了可扩展的大规模硅基光电子芯片的自动布线。

5.3 版图密度约束

在整个版图中，需要均匀高的模式密度，以避免光刻工艺缺陷。必须用非功能“虚填”(Dummy)几何填充空区域以满足晶圆厂要求。这占用了设计空间，并使布线复杂化。

5.4 技术文档和PDK

晶圆厂提供包含关键信息的技术文档，以用于波导宽度、分辨率、弯曲半径、层映射等PCell。合格的PDK包含经验证的参数化单元、布局规则和模型。不成熟的PDK构成采用障碍。

5.5 设计规则检查

必须遵守晶圆厂关于最小特征尺寸、间距、角度等的设计规则,以确保制造能力。DRC验证布局是否符合制造要求。适合硅基光电子几何的自定义DRC规则至关重要。

5.6 测试结构

必须与主链路一起设计专门的结构来表征器件和提取仿真模型。PDK包含标准化的测试单元格。这些物理实现方面的考虑因素使光电子芯片的版图设计和验证相比数字电子设计流程极为重要。设计人员必须在满足严格制造要求的同时，应对光学物理带来的版图约束。工具必须具备光刻和变异意识。解决从物理实现和制造兼容性出现的约束对发挥硅基光电子芯片的制造能力至关重要。

尽管链路设计自动化已经采用了电子设计概念，一些差异仍然存在。解决这些差距可以帮助使硅基光电子芯片开发真正可扩展、可预测和适于自动合成:

6.1 缺乏标准

在原理图符号表示、紧凑模型接口以及设计交换格式方面的共同标准缺乏，阻碍了互操作性、IP重用和工具集成。定义光子学等价的成熟电子标准如Verilog-A或SPICE可以加速进展。

6.2 需要多功能工具

整体包含版图、考虑变量的仿真、验证、制造兼容性、光电联合设计等功能，并具有高生产力的专门针对硅基光电子设计自动化的专用工具仍然缺失，但亟需开发。

6.3 复杂光学效应建模

在以电子为主的传统EDA工具上对非线性、色散、噪声和多载波光信号的频率依赖性等复杂现象建模仍非常困难。需要专门技术。

6.4 统计分析以实现制造良率

电子和光子领域都需要发展成熟的技术，以进行自动化的统计分析、设计居中和考虑相关制造变量的优化。这可以实现以预测良率为导向的设计。

6.5 缺乏合格的PDK

包含完整经验证的参数化版图、全面的跨领域模型和综合规则库的经晶圆厂验证的PDK仍很少见。密切的晶圆厂参与可以极大地方便器件重用。

6.6 封装和光纤接口设计

设计光纤耦合结构、电接触和链接到光/电子封装需要系统级工具支持。自动化技术可以减轻封装约束。

这些差距为研究带来机遇，并需要产学研各方协作来推进发展。建立一个成熟的硅基光电子设计生态,包含标准、库、互操作工具和PDK，可以显着提升这项新兴技术的设计效率、性能和可靠性。

PIC Studio硅基光电子芯片设计平台，包含PhotoCAD、pSim、Advanced SDL和pLogic模块，可以从理论到实践实现光电路设计全流程。

7.1 PhotoCAD版图设计

PhotoCAD是一款专门用于硅基光电子芯片版图设计的工具。支持真正的曲线波导版图，并提供智能化的光学布线与元器件布置。设计人员可以快速绘制版图,并与后端仿真进行迭代优化。

7.2 pSim仿真引擎

pSim是一个用于时域和频域仿真的光电链路仿真器。支持紧凑模型，可以进行光电链路的功能验证、体制分析等。用户可以方便地导入与仿真各种器件和子系统。

7.3 Advanced SDL

Advanced SDL实现从光电链路原理图到版图的自动转换。它允许设计人员在抽象层进行设计，并根据原理图连接性自动生成版图,无需手工绘图。

7.4 pLogic光电链路原理图集成

pLogic提供了光电器件，用于构建光电链路。设计人员可以像使用电子逻辑门一样使用光电器件构建各种功能。

PIC Studio平台得到广泛应用，可以完成从器件到系统级的设计。它增强了设计效率，缩短了产品上市时间，有助于硅基光电子芯片的快速发展。未来逍遥科技将持续创新，以进一步完善该平台的功能。

本白皮书概述了硅基光电子芯片设计自动化的发展历史、现状、面临的挑战以及未来发展方向。硅基光电子芯片技术集成度的提升亟需先进的设计平台支持。EDA流程和工具的引入是实现这一目标的关键所在。与成熟的电芯片设计自动化相比，硅基光电子芯片设计自动化还存在一些差距，如缺乏标准、模型复杂性大等。解决这些挑战需要产学研各界的共同努力。本文还介绍了逍遥科技自主研发的PIC Studio设计平台，其丰富的功能可以覆盖硅基光电子芯片设计全流程。该平台的应用为硅基光电子芯片技术向成熟状态迈进提供了有力支持。我们相信随着持续创新与发展，硅基光电子芯片设计自动化必将成为这个领域的重要基础设施,推动光电子融合和先进应用实现。

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