设计流程

为了使技术更易于使用需要工具、工艺和流程都达到一定要求。Synopsys光学解决方案集团（Optical Solution Group）研发部门主管Tom Walker说：「我们正在努力增加更多自动化的同时，使光子设计变得更加抽象。这两个因素对于帮助更多设计师开发定制光子集成电路设计非常重要。

这一切都源于PDK。Nagarajan说：Synopsys和Cadence都在增加这一领域的产品。Synopsys刚刚收购了此领域的一家公司（PhoeniX Software）。PDK需要实现自动化，与Mentor设计规则检查（Design Rule Checking，DRC）工具，用于模拟/数字仿真的Cadence工具和Synopsys的等效工具结合使用。一整套光学工具需要移植到这些流程中，这正在慢慢地发生。

今年几家代工厂宣布了PDK，然后，你可以在设计抽象化上更进一步了。

Walker解释说：设计过程分为不同的层次。每个层次都隐藏了底层的内部工作，向设计师展示越来越抽象的功能。第一层对应物理布局，这里，通过控制几何形状和材料属性来创建定义组件和连接的结构。上层是电路级别，通过将各个组件连接成电路来定义信号行为。

在模拟领域，抽象的下一层次通常称为参数化单元或PCell。Nagarajan继续说道：如果你的设计主要采用基于PCell的标准代工厂，那么设计环境将适用于自动化。你可以购买一个IP核放入其中，如果你处于高端市场，那你正在设计一个往往是专家驱动的极具冲击力的产品，尽管这些工具远不及普通的电子产品或IP核的复杂程度，但一些代工厂已经开始提供PCell。

设计的另一面是验证。Cadence的Lamant说：当你谈论rack从顶部到底部或card的从左到右时，能够进行全系统仿真开始变得非常有趣。你需要将AMS和光学模拟器结合在一起。如果没有模拟，你只需要计划稳定，并投入足够的中继器中，但对于较短的距离，你想尝试优化它并尽量减少能量损耗。

光学元件的集成也产生了一些有趣的新挑战。Lamant补充道：光线有反弹的趋势，所以有前向传播的光，但会有一定数量的光线反弹回来，而且你需要建模。这是混合光学模拟器真正有帮助的地方。如果你有通过数学模型传播信号的方法，如Verilog-A，向后传播需要很多额外的方程。

电子和光子学聚在一起的时候出现了另一系列问题。Mentor公司的Cone说：当你驱动一个光子接口时，你遇到了很多关于噪声和大量热量的问题，这必须考虑在内。没有东西可以提供这种能力，这一切都归结为接口，它速度非常快，以每秒几十千兆位的速度运行，开关驱动调制器上的结点或移相器，并产生一个你必须考虑的EMI签名。同样，从光电探测器出发，你需要一个非常敏感的输入进入跨阻放大器。你必须屏蔽来自电路其它部分的噪声。

这种电气活动及其产生的热量可能会给光学器件带来困难。Lamant指出：只需将温度改变1°C，你就可以看到光线相位的巨大变化。有一些很好的方法可以调整光路，虽然这可能是一个优势，但我周围所有电子设备的变化速度都很快地超过1°C。所以这是一个非常敏感的调整机制，也是一个大问题。这是一个投资和研究的领域，我们需要以动态的方式更好地理解热效应。对于电子产品来说，它通常被视为二阶效应，但对于光学来说，散热是一阶效应。如果你从代工厂的PDK中看元件，会看到许多热调整组件。所以它不是到验证阶段才可以离开的东西，这是一个一级效应。

Lamant解释说光子电路需要达到热平衡：当你想要零点和光子学中的零点时，你要么尝试调整相位，要么使它们错位来产生建设性或破坏性干扰。通过加热一些东西来调整受影响的相位偏移，从而向前或向后移动物体。

EDA正在应对这些挑战。然而，Cone有一个警告：「光子学和电子学很不一样，我们需要为他们提供解决方案以满足他们的需求，而不是试图使光子学那一部分遵守严格的EDA设计规则，这样做是不对的。

光子学未来可期

尽管光子学永远不会像电子学和摩尔定律那样走上正轨，但光子行业刚刚开始使光子电路的可能性提高。Lamant指出了MIT的一个有趣的发展：Light Matter有一个用于机器学习中应用矩阵系数的光子学乘法器。光子电路本身非常简单，但执行的功能非常复杂。

矩阵乘法是机器学习中性能的限制，会消耗大量的功率。对于光学等效物，它可以在消耗功率很小的情况下很快地运行。

Lamant提醒道：可能会发现其它的应用。一个重要的考虑因素是数据必须转换成适合光学元件的形式，这需要能量。因此，一个一个需要权衡的情况是，将电子信息转换为光使其可以在光学加速器内消耗和处理是否值得。或者将其用作电子产品并付出更高的成本是否更好？这是一个系统级的折衷。

Cone提出另一个有趣的研究线。看看HPE实验室和机器，这是一种内存驱动计算的形式，它们提供了基于光子学的计算的未来愿景。

这种发展假设在硅光子学中，你有大量节点通过单个光纤连接，并且它们几乎是瞬间互相对话。Cone表示：这改变了我们对给予电气连接的系统级芯片架构的了解。我们看到公司意识到他们不再需要使用所有架构都是模块化的，并且通过一些接口进行对话的传统架构。现在一切都可以在同一时间进行对话。我们几乎不能在表面捕捉到看到这种转变，并将其推动至产品的电气方面。

集成硅光子技术的领域越来越密切，必要的工具和流程正在进入正轨。很快，该行业将得到最新颖的方式来利用它。