科技发展的另一大支柱,进击的光子学

2020-01-15来源: EEWORLD关键字:光子学  GaAs  EDA  FANG

翻译自——semiwikiRich Goldman

 

在过去,IC和EDA都会成为年度预测的焦点,但是最近我把注意力转向了光子学这个领域。

 

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历史上,光子学一直是GaAs砷化镓的技术;过去是,现在是,将来也是。分析师永远都在预测光子学何时能够崛起;2020年,随着摩尔定律在电子领域的终结或放缓,光子学将独树一帜,进入发展的曲线阶段。虽然光子学正以惊人的速度在我们的技术生态系统中扮演着越来越重要的角色,但预计的爆炸性增长还没有发生。

 

有几个原因。首先,光子学并不遵循摩尔定律:光的波长就是光的波长,它是一个常数;它只是没有每两年减半,所以由摩尔定律驱动的电子技术的显著进步不适用于光子学。

 

其次,工程师们不断地突破电子领域曾被认为是不可逾越的障碍。因此,光子学取代电子学应用仍然被越来越聪明的电子设计所取代。

 

最后,光子学生态系统还没有进化到足以支撑一个大规模的商业市场。在过去的半个世纪里,电子学已经发展成为今天复杂、运转良好的设计和制造系统,但这种发展还没有发生在光子学上。今天的光子学生态系统仍然与20世纪80年代早期的电子生态系统最为相似。

 

 

2019年,更多的大公司收购了主要的光电子供应商,比如思科收购了Luxtera,现在Acacia Communications, II-VI收购了全球领先的光通讯产品供应商Finisar,博通从富士康收购了它们的光收发设备资产。许多人认为光子学时代即将到来,电信供应商也将会开发出领先的光子学解决方案。

 

2020年光子学会成为焦点吗?

 

光子学的发展会变得越来越相关,然后会普遍的存在,最后在越来越短的距离上占主导地位。今天,电信通过光纤(一种以光子学为主的应用)传送到数公里外的家庭和商务旅行中。现在光子学已经进入了数据中心。全球范围内的超大型规模数据中心都在与功耗、成本、热量、带宽和数据延迟作斗争。用光纤代替铜线解决了所有这些问题。与铜相比,光纤更便宜、更快、延迟更短、带宽更高、消耗的电力更少,从而降低了热量和电力成本。

 

光纤在数据中心机架之间的接管已经基本完成,光纤已经转移到同一机架相互连接的服务器上。因此,光子学已经从在公里距离上的优势,发展到在十米距离上的普及,再到在一米距离上的相关性。2020年,光子集成电路(PIC)将在商业上更加普及,使光子技术在毫米范围内得到应用。今后将继续整合光子学,包括激光,芯片与电子,移动光子学的相关性到微米级别。

 

随着以太网数据传输速度在2020年继续从100G迁移到200G,光子学在光纤两端所需的收发器中变得更有吸引力了,100G的扩建工程已基本完成。到2020年,向着200G的过渡将顺利进行,早期用户将转向400G。通过巧妙的设计,电子产品可以以100G的速度传输,但是光子学更强,市场上有很多100G的光子学收发器设计。但是400G以后,电子产品将会失去它在收发机市场的控制力,而光子学将会崭露头角。当我们达到800G和1T(远远超过2020年)时,光子学将完全占据主导地位,甚至连一个电子收发器都找不到。

 

FANG组合 (Facebook、Amazon/Apple、Netflix、Google)组建的光子设计团队正专注于按照他们自己的规格调整的光子收发器,这是2020年的一个新趋势,这将加速光子在数据中心的主导地位。对庞大的数据中心进行评级后,他们将从为自己的特定需求而设计的光子设计中获益良多,就像我们所看到的FANG设计自己的IC一样。到2020年,我们可能看不到这项活动的成果,但它将显著提高世界光子设计能力,加速商业光子生态系统的演化。

 

由小型商业或研发晶圆厂的主导,如SMART Photonics、LionX、Ligentec、imec、Leti和AIM,今天的光电子晶圆厂一般是面向研发或提供MPW(多项目晶圆),而非大型商业运行。虽然固态晶圆厂在其光电子产品(如用于激光的磷化铟)方面处于领先地位,但这些晶圆厂目前还不具备推动大型商业市场的能力,而且它们还没有机会发展大型半导体晶圆厂在过去几十年里建立起来的极端客户支持流程。

 

FANG是全球领先半导体代工厂的主要客户。晶圆厂注意到光子设计活动的增加,并已进入或正在考虑进入光子业务。这将加速它的商业化,这些晶圆厂可以利用他们的生产知识、经验和技能来建立成熟的生态系统。

 

在过去的几年里,领先的半导体代工厂如TowerJazz和GlobalFoundries开始为光电子业务提供服务。到2020年,其他主要的半导体晶圆厂将进入光电子行业。这些晶圆厂的加入将使硅光子学成为合法的商业企业。光子学为晶圆厂提供了一个很好的优势:不需要尖端技术。这就意味着不需要大规模的电子产品研发和资本投资。相反,光子学会利用充分资本化的半导体制造设备来赚取可观的利润。

 

工艺开发工具包(PDK)的出现是光子技术成熟的标志。第一个光子PDK出现在大约两年前,随着晶圆厂提供针对各种设计工具的PDK,它们开始变得流行起来。与半导体晶圆厂提供的库相比,这些PDK往往比较原始,但它们是走向成熟的商业光子学生态系统的重要一步,需要晶圆厂与光子设计自动化(PDA)公司之间建立强有力的合作关系。从而共同生产新的PDK,并推动现有PDK发展。由于更多的图片被制造和测量,因此就会产生足够的数据进行统计分析。2020年将出现基于统计的PDK,使蒙特卡洛和角统计分析在更先进的PDA模拟工具中成为可能。这将形成更稳健的设计,进而把重点放在可制造性上,这是光子学商业化的另一个要求。

 

老牌EDA厂商注意到了新兴的光子电子市场。他们正针对这一市场提供设计工具,并与领先的PDA公司结成关键联盟,提供完整集成设计流程。去年,Mentor引入了LightSuite光子编译器,同时利用他们的Tanner工具提供原理图和布局。Cadence通过ycore引入了曲线功能,使其成为行业领先的定制设计平台,成为光电子领域的大师。Mentor和Cadence已经将他们的设计流程与领先的光子模拟提供商Lumerical进行了集成。例如,Cadence提供了co模拟功能,使整个设计流程能够通过Virtuoso座舱进行驱动。Synopsys采取了更多的单干策略。

 

 

我预测主要的EDA供应商的加入预示着PDA工具价格的提高。流行EDA工具的平均销售价格要比PDA工具高很多。这种不平衡是不可持续的,因为它将阻碍PDA所需的投资和PDA公司在新的EPDA环境中的竞争力。虽然这种变化不会是突然的,但它将是持续的。

 

尽管集成电子-光子设计自动化(EPDA)流程去年就已出现,但随着统计和制造设计(DFM)功能的增加,到2020年,它们将变得更加复杂。统计方面的考虑将需要更多的算力,因此在2020年,我们还将看到高性能计算应用于PDA上, Amazon AWS和Microsoft Azure将利用其数据中心的光子技术,成为在云计算中交付光子技术的重要参与者。

 

与电子学不同,光子设计只包含几个精密的元件。许多这样的元件可以在由晶圆厂提供的PDK中找到,但是每一个前沿的光子设计总是会包含一些重要的元件,这些元件是晶圆厂PDK所不能提供的。这为一些公司创建光子IP (PIP)业务创造了机会。具有极高的光子设计能力可以获得廉价的设计工具,可能会在市场上占得先机。这些公司专注于光子设计,并提供卓越的服务。

 

将光子设计方法进一步精进将提供更高质量、更可制造的设计,并将降低障碍,使光子设计不再需要如此高的门槛。更好的设计将推动光子学在应用上的竞争力。此外,更多合格的设计师将使公司有更强的能力来组建他们的光子设计团队,从而产生更好的产品和更快的发展。

 

我们已经看到了来自斯坦福大学和Lumerical与开源社区合作的光子逆向设计。通过他们的方案,组件设计完成得更简单了,设计周期大大缩短(几天,而不是几个月)。

 

即使是已发表的优秀设计也在不断改进,而且往往在几天内就能完成。光子逆设计的简化、自动化设计方法将取代目前的手工迭代过程,并有望将在2020年应用于各种光子器件。光子逆设计对光子学的影响类似于20世纪80年代逻辑合成对集成电路设计的影响。它将扩大合格的光子学设计师的圈子,加速光子学设计进入市场的时间。我认为对光子逆向设计的研究类似于提高设计师工作的抽象水平。随着IC设计抽象水平的提高,集成电路设计师的工作效率如潮水般高涨,我预计光子学设计师的工作效率也会有类似的提高。

 

应用程序

 

收发机:2020年将延续光子学在数据中心的接管趋势。当我们的传输速度从100G增加到200G,再增加到400G时,这一点会变得更加明显。

 

激光雷达:在2020年,我们将看到多光子驱动的激光雷达设计的引入。激光雷达是自主车辆的关键技术, 但它不可能安装在日常乘用车上,也不可能安装在原型车快速旋转咖啡罐大小的激光雷达上,更不可能将这数千美元的设备嫁接到日用车上去。大量的初创公司专注于缩减激光雷达的规模和成本,其中几家将在2020年公布他们的设计。我们希望看到至少一家知名的激光雷达公司基于光子的激光雷达设计。

 

 

激光雷达是一项重大的发明。但是,特斯拉Elon Musk曾表示,雷达+摄像头已经对自动驾驶起到了显著的提高,所以激光雷达没必要存在。Musk这么说是有原因的,这之间的问题是:如何降低激光雷达的成本和尺寸与提高雷达+相机的能力之间的竞争。这场比赛的获胜者将决定驾驶自动驾驶汽车的光子学应用的命运。

 

5G: 2020年,我们将看到5G的真正构建。随着NG-PON2等有利于光子的新技术同时部署在前传和后传中,这将推动功率集成电路PIC的发展。随着建筑物内的毫米波部署,5G也将出现曲棍球棒效应。但这种更大规模的5G建设不会真正实现。

 

传感器:医学是一个特别有趣的领域,在光子学方面有很强的机会。医疗进步的步伐将更多地由法律法规而不是技术来决定, 2020年在这一领域将很难看到突破。

 

AR/VR:据说预测科技未来最简单的方法就是看《星际迷航》。《星际迷航》的所有技术最终都会实现。这对光子学来说是个好消息。如果我们要在全息甲板上跳跃,光子学将起很大作用。

 

 

量子计算:量子是另一个推动光子学应用的领域。可惜的是,2020年不会是量子年,但我预测至少会有一个重要的量子公告让我们大吃一惊。这则大新闻将同时一家大型老牌公司和一家初创公司发布。

 

 

总结

 

所以说,光子学作为未来的技术,将在2020年得到坚实的发展。随着大量的应用程序成为关注焦点,会有惊人的增长速度。工程师们在电子技术领域的聪明才智,以及光子学生态系统的进化,将会大踏步前进。而且,随着晶圆厂的加入和设计自动化的成熟, 2020年有望是光子技术商业化的一年。

 

注释:

 

1. FANG

 

吉姆·克莱默杜撰了“FANG”这个概念。“FANG”指的是Facebook、亚马逊(Amazon)、Netflix与谷歌(Google)四支科技股,它们在股市上均表现出了高成长性。无一例外地,FANG公司都并没有在它们各自的生态里创建出最有价值的内容,它们只是让这些内容更容易被消费者或用户所获取,所以用户逐渐就通过FANG公司的主页来发现内容。如此一来,再加上互联网让渠道免费,这就意味着FANG以它们的方式前所未有地获取了更大的权力,也有了变现的更多可能。四家FANG公司,每一个都以它们的方式进行技术性创新(特别是谷歌,它甚至被证明是一种规则),但是它们——恰如Uber——也不可思议地依赖于已经存在的产品与基础设施。它们现在或未来具备统治力的关键,是它们对顾客的接近性、出色的用户体验,以及在互联网之前绝对不可能有的商业模式。

 

2. 蒙特卡洛(Monte Carlo)法

 

蒙特卡洛(Monte Carlo)法是一类随机算法的统称。原理是通过大量随机样本,去了解一个系统,进而得到所要计算的值。它非常强大和灵活,又相当简单易懂,很容易实现。对于许多问题来说,它往往是最简单的计算方法,有时甚至是唯一可行的方法。它诞生于上个世纪40年代美国的"曼哈顿计划",名字来源于赌城蒙特卡罗,象征概率。

 

随着二十世纪电子计算机的出现,蒙特卡洛法已经在诸多领域展现出了超强的能力。在机器学习和自然语言处理技术中,常常被用到的MCMC也是由此发展而来。


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