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摩爾定律終結之后:光子學取代電子學,PDA取代EDA

2020-01-06
來源: EETOP

  過去,我們將年度預測重點放在電子產品(IC和EDA)上,但是最近將重點轉向了光子學,因此我對2020年的預測主要集中在這一領域。

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  從歷史上看,光子學一直是砷化鎵技術。過去,現在和將來將永遠是未來的技術。分析師們永遠在預測光子學的興起。明年,隨著摩爾定律在電子領域的終結或放慢,光子學將自成一體,進入其發展的曲棍球棒階段。盡管光子學以驚人的速度在我們的技術生態系統中扮演著越來越重要的角色,但尚未實現爆炸性的增長。

  分析師永遠都在預測光子學的崛起;明年,隨著摩爾定律在電子領域的終結或放緩,光子學將確立自己的地位,進入發展的曲棍球棒階段(曲棍球棒效應(Hockey-stick Effect),是指在某一個固定的周期,前期銷量很低,到期末銷量會有一個突發性的增長,而且在連續的周期中,這種現象會周而復始,其需求曲線的形狀類似于曲棍球棒,因此在供應鏈管理中被稱為曲棍球棒現象)。雖然光子學正以驚人的速度在我們的技術生態系統中扮演著越來越重要的角色,但預計的爆炸性增長還沒有發生。

  這是為什么?有幾個原因。首先,光子學不符合摩爾定律:光的波長就是光的波長。這是一個常數。它并不是每兩年就減半,因此摩爾定律所驅動的電子學領域的驚人進步只是不適用于光子學。

  接下來,電子工程師將一如既往地聰明,每當摩爾定律宣告即將終結之時,就會有新的辦法出現,工程師們不斷地突破電子領域曾經被認為是不可逾越的障礙。因此,用光子學代替電子學的應用仍然被越來越聰明的電子設計所取代。用光子學取代電子學可能仍是不可避免的,但時間軸仍在向前移動。

  最后,在過去的半個世紀里,電子學已經發展成為今天復雜的、運轉良好的設計和制造生態系統,但這種發展還沒有發生在光子學上。今天的光子學生態系統仍然與20世紀80年代早期的電子生態系統最為相似。

  2019年,更多的大公司收購了主要的光電子供應商,比如思科收購了Luxtera,現在又收購了Acacia Communications, II-VI收購了全球領先的光通訊產品供應商Finisar,博通從富士康收購了它們的光收發設備資產。許多人認為這一趨勢是承認光子學時代的到來,以及主要電信供應商需要提供領先的光子學解決方案。

  那今年呢?光子學會在2020年成為焦點嗎?接下來我們將預測幾種會影響該拐點到來時間的趨勢。

  在越來越短的距離內,光子學變得越來越重要,然后成為主流,最后成為主導。如今,電信運營商已通過光纖向您的家庭和商務旅行提供了數千米的遠距離通信?,F在,光子學已經轉移到數據中心。全球范圍內的大型超大規模數據中心在功耗、成本、熱量、帶寬和數據延遲方面都處于掙扎狀態。用光纖代替銅線解決了所有這些問題。與銅相比,光纖更便宜,速度更快,延遲更短,帶寬更高,并且消耗的功率更少,從而降低了熱量和電力成本。

  數據中心機架之間的光纖接管已基本完成,并且光纖已移至同一機架中的互連服務器上。因此,光子學已經從在一公里距離的主導地位,發展到十米距離的程度,再到一米距離。到2020年,光子集成電路(PIC)將會在市場上變得更加普遍,從而使光子學在毫米距離內變得有意義。目前正在進行將包括激光器在內的光子學與電子芯片集成的工作,將光子學的相關性降低到微米距離。

  隨著以太網數據傳輸速度在2020年繼續從100G遷移到200G,光子學在光纖任一端所需的收發器中變得越來越有吸引力。100G的擴展工作已經基本完成。到2020年,過渡到200G的工作將會順利進行,早期采用者將過渡到400G。通過巧妙的工程設計,電子產品可以100G的速度繼續良好運行,但光子已經具有了競爭力,并且市場上有許多100G光子收發器設計可供選擇。我們將從IC設計師那里看到更多的聰明才智,但是在400G時,電子產品將失去對收發器市場的更多控制,而光子學將開始從相關性向普及性發展。到我們達到800G和1T的時(注:這個要到以后相當長的時間才可以達到)時,光子技術將占主導地位,將幾乎找不到電子收發器。

  FANG(Facebook,Amazon / Apple,Netflix,Google)的光子學設計團隊將專注于根據自己的規格調整光子收發器,這將加速光子在數據中心的主導地位。運營著龐大的數據中心,他們將從光子設計中獲得巨大的利益,光子設計可以滿足他們的特殊需求,就像我們看到的尖牙設計他們自己的集成電路一樣。到2020年,我們可能看不到這項活動的成果,但它將顯著提高世界光子設計能力,加速商業光子生態系統的演化。

  如今的光子代工廠主要由小型商業或研發型晶圓廠所主導,例如SMART Photonics,LionX,Ligentec,imec,Leti和AIM,它們通常是面向研發或提供MPW,而不是大規模的商業化生產。雖然固態晶圓廠在其光電子產品(如用于激光的磷化銦)方面處于領先地位,但這些晶圓廠目前還不具備推動大型商業市場的能力,而且它們還沒有機會發展大型半導體晶圓廠在過去幾十年里建立起來的極端客戶支持流程。

  FANG是世界領先的半導體代工廠的主要客戶。這些代工廠注意到光子設計項目的增加,已經進入或正在考慮進入光子業務。這些工廠將利用其生產知識,經驗和技能來構建成熟的生態系統,從而加快其商業化進程。

  在過去的幾年中,TowerJazz和GlobalFoundries等領先的半導體代工廠開始為光子學業務提供服務。到2020年,其他主要的半導體代工廠將進入光子學業務。這些代工廠的新進加入將加快硅光子學的商業化應用。光子學為半導體代工廠提供的一個吸引人的優勢是不需要尖端技術,因此不需要大規模的電子產品研發和資本投資。相反,光子學可以利用完全資本化的半導體制造設備來獲得可觀的利潤。

  光子學成熟的一個指標是代工廠的工藝開發套件(PDK)的出現。第一個光子PDK大約在兩年前就出現了,隨著代工廠提供針對各種設計工具的PDK,它們開始變得流行起來。與半導體代工廠提供的庫相比,這些PDK還比較原始,但它們是商業化光子生態系統成熟的重要且重要的一步,需要在代工廠和光子設計自動化(PDA)公司之間建立牢固的合作關系。他們一起生產新的PDK,并推動現有PDK的發展。隨著更多光子IC的制造和測試,越來越多的數據可用于統計分析。2020年將出現基于統計的PDK,在更高級的PDA仿真工具中啟用蒙特卡洛和工藝角靜態分析。這將導致更穩健的設計,新的重點放在可制造性上,這是光子學商業化的另一個要求。

  成熟的EDA供應商正在注意到新興的光電子市場。他們提供針對該市場的設計工具,并與領先的PDA公司結成關鍵聯盟,以提供完整的集成設計流程。去年,Mentor推出了LightSuite Photonic Compiler,同時利用其Tanner工具提供原理圖和布局。Cadence通過CurvyCore引入了曲線功能,以啟用其業界領先的定制設計平臺Virtuoso用于光子學。Mentor和Cadence都將其設計流程與領先的光子仿真提供商Lumerical集成在一起。例如,Cadence提供了協同仿真功能,使整個設計流程能夠通過Virtuoso進行驅動。Synopsys則采取了更多的獨立戰略。

  我們預計主要的EDA供應商的加入預示著PDA工具的價格將會更高。流行的EDA工具的平均售價要比PDA工具高很多。這種不平衡不是長期可持續的,因為它將阻礙對PDA的所需投資以及PDA公司在新的EPDA環境中競爭的能力。盡管更改不會突然發生,但它將是一致的。

  去年出現了集成的電子-光子設計自動化(EPDA)流程,到2020年,隨著增加的統計和制造設計(DFM)功能,它們將變得更加復雜。統計方面的考慮將需要更多的計算能力,因此在2020年,我們還將看到高性能計算應用于PDA,Amazon AWS和Microsoft Azure成為通過利用其數據中心中的所有這些光子在云中提供光子的重要參與者。

  與電子產品相比,光子設計僅包含一些精心制作的組件。代工廠提供的PDK中可以找到許多這些組件,但是每個前沿光子設計將始終包含一些更通用的代工廠PDK無法提供的關鍵組件。這為一些定位良好的公司提供了建立光子IP(PIP)業務的機會。管理完善,擁有卓越光子設計能力和專注力的公司,以及廉價獲得設計工具的機會,很可能帶動這一市場的興起。憑借對光子設計的不懈努力,這些公司將提供卓越的設計。希望提供領先的光子設計的公司將與這些PIP供應商合作,將其組件設計外包,以便將自己的資源集中在其他增值領域,例如整個PIC設計。在起步階段,PIP業務可能會與定制設計服務保持業務相似性。

  光子學設計方法學的突破將提供更高質量,更可制造的設計,并且將降低障礙,因此光子學設計不再需要物理學博士學位。更好的設計將推動光子學可以競爭并贏得競爭的應用。合格的設計師將使公司擁有更大的能力來配備其光子學設計團隊,從而導致更大的競爭,從而帶來更好的產品和更快的發展。

  我們已經看到來自斯坦福大學和Lumerical與開源社區合作的消息來源的光子逆設計的影響。我們開始看到,通過大大改進的品質因數,大大縮短了設計周期,組件設計可以更簡單地完成。

  即使是最好發布的設計,我們也看到了改進,通常需要幾天的時間才能完成。我們看到組件的數量級改進。Photonic Inverse Design的簡化的自動化設計方法將取代今天的手動迭代過程,并將在2020年應用于各種光子組件。PhotonicInverse Design對光子學的影響將類似于邏輯綜合對IC設計的影響。 1980年代。這將擴大合格的光子學設計人員的圈子,并加快光子學設計的上市時間。我們認為向光子逆設計的過渡類似于提高設計師工作的抽象水平。正如提高IC設計的抽象水平釋放了IC設計人員的工作量一樣,

  光子學的應用

  收發器:2020年將繼續光子學在數據中心的接管趨勢。在2020年,當我們從100G升級到200G并達到400G以太網傳輸速度時,這一點將更加明顯。

  LiDAR(激光雷達):在2020年,我們將看到多光子驅動的激光雷達設計的引入。激光雷達是自主車輛的關鍵技術,大量初創公司專注于減小LiDAR的尺寸(減少一副卡片)和降低成本(一個數量級),其中一些將在2020年展示其設計。此外,我們還將看到基于光子學的LiDAR至少由一家知名的領先的LiDAR公司設計。

  5G:到2020年,我們將切實看到5G的構建。這將推動光子芯片的量產,因為在前程和后程中均部署了諸如NG-PON2之類的新的光子技術。隨著5G毫米波的部署,5G中將出現曲棍球拐點。不過這種更廣泛的5G建設不會在2020年真正發生。

  傳感器:也許有點乏味,但這是光子學正穩步發展的應用領域,這種進步將持續到2020年。醫學是一個特別有趣的領域為光電傳感器具有很大的機會。醫療領域的進展將更多地取決于法律法規,而非技術,2020年在這一領域不會出現突破。

  AR/VR:預測我們的技術未來的最簡單方法是觀看《星際迷航》。星際迷航的所有技術最終都會實現。對于光子學來說,這是個好消息。如果我們要穿梭于籬笆墻,光子學將發揮重要作用。

  量子計算:量子是另一個將推動光子學的應用。2020年將不是量子年,但我們確實預計至少會有一項重要的量子聲明令所有人震驚。

  總結

  未來的技術光子學將在2020年得到穩步的發展。增長率將是令人印象深刻的,大量的應用將成為焦點。工程師們在電子技術領域的聰明才智的耗盡,以及光子學生態系統的進化,將進一步束縛住電子學增長的腳步。隨著商業代工廠的加入和設計自動化的成熟,成熟的跡象變得越來越普遍。2020年是光子學商業化的一年。


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