【光电共封CPO】硅光子的设计比电子难十倍？那究竟难在哪里？

【本文涉及的相关企业】台积电、三星、Tower、GF、中芯国际、Synopsys、Cadence、逍遥光电、硅芯科技、南智光电、上海工研院

流片困难度堪比发射火箭

众所周知，晶圆流片一直都是价格惊人，不同制程和测试的晶圆虽然价格有差，但是数万到数十万还是要真金白银花出去的，先进制程则更加昂贵。而硅光子流片的价格则更加惊人，其一次流片的光罩、制程、周期成本就是百万等级起步，从版图到foundry的PC端开始，一步一步跑完整条制程，最终到封测厂进行封装和测试，整个周期都是动辄好几个月，无论是波导设计不合理、耦合损耗比高于预期等等复杂的光学、电学和散热性交织在一起的问题，都会让你的钱再烧一次。

曾经有业内人士评价，电子芯片设计单用foundry给的PDK就可以搭出像模像样的产品，目前技术难点基本卡在了先进制程端和量产良率上，而硅光子完全就是十几年前几十nm到百nm制程的节点，EDA工具跑出来的结果，需要流片验证拿到结果后，才知道仿真的结果有没有问题。硅光子芯片想要量产在设计端除了考虑传统电子芯片在信号完整性、异质异构集成、散热及功耗等复杂问题上，还叠加了互联材质的选择、键合工艺的差异、热应力分布、以及堆叠方向的不同，都会导致物理实现与仿真算法的基础性变革。如果说，电子芯片流片是造一辆车，硅光子芯片流片则更像是造火箭。

PDK和流片的大致工作（图源：深芯盟）

硅光子芯片设计上也比电子芯片多了很多光子学的难点：硅基不能发光需要InP作为光源材料、光纤阵列结构对位、光波导的损耗。这些元件层级的难点，对于设计人员来说是原理性问题，花时间搞定就行。但是设计出了东西能不能做，如何做，做出来的参数又如何，则是晶圆厂需要提供的信息。PDK（Process Design Kit）就是这样一本说明书，把该怎么做，效果如何全都写成设计人员更够理解的格式。

硅光子PDK+EDA才是命门所在

硅光子的PDK要比电子的复杂一些，以Tower为例：目前Tower是业界首屈一指的硅基光电子代工厂商，其官方发布的PDK涵盖波导图形化、调制解调器整合、光侦测器形成、金属互连、热相位控制加热器，以及晶圆级测试等所有制程模块。晶圆厂给出的PDK有个关键信息----保证，对于复杂系统来说，每一个零部件要足够精准，误差要足够小，最终的实际产物，才接近设计之初的样子。PDK里面的所有元件都是实际制程做出来的标准模型元件，其每个参数都是实际测量的真实物理量，绝非元件的理论值。这样一来fabless厂商在设计时，就能尽可能的确保最终流片后的产品，就是想要的。

SOI wafer to silicon Photonics PIC(图源：逍遥科技)

细看PDK又大体分为三层结构，每一层都至关重要：

￮ 元件库（Component Library）：PDK的核心就是晶圆厂实打实做出来的元件，每一个都是Fab已经跑过、确认过良率和性能的标准元件。对于设计者从库里面拿取波导、多模干涉耦合器、光栅耦合器还是光纤耦合器都不用从零开始设计，拿来就用就是最好的工具设计。

￮ 设计规则检查（Design Rule Check）:PDK里会包含极其详细的检查规则，线宽、线距、最小弯折角和各层的属性定义。DRC定义了一套物理世界的规则红线，系统会在你设计好时帮你全面的检查每一处细节，尽可能保证不要有设计上的任何纰漏。

￮ 模型仿真（compact model Simulation）：设计师全部使用PDK元件和遵循DRC构建出器件后，系统需要进行复杂的仿真来预测系统的性能，光子信号在系统中遵循S参数（描述光信号的振幅、相位、频率的信息），通过计算在不同温度、电压、线径等界面条件下的结果，来看最终有没有得到想要的器件性能。

这一套PDK电子学也一样，但是电子学PDK已经有近三十年的积累，该踩过的坑已经走完了，硅光子起步较晚，而且光学天生就比电子学要难一些。数字电路中线径宽一点窄一点只要信号不失真大体上没有问题，波导的线宽差了几nm，光信号的累积相位就会发生变化，整个干涉信号就会有失真风险。同时光器件还比电器件多了光学部分，大家都受电场、热场、互联、堆叠等诸多影响，尤其是光学响应中，调制解调器受温度带来的波长漂移问题。

另外在EDA端，某家Fab厂商的PDK需要绑定在EDA工具套件上，例如Synopsys 的OptoCompiler、Cadence、Keysight 的ADS等，一家设计公司选定在某家Fab进行开发，整条设计流程就构建在其上，从NTO到MP阶段，整个团队都被牢牢绑定在该厂的模型库、器件单元和仿真经验上。也就是是哪家的EDA整合某家的PDK最完整，从业者就会更倾向哪家。

业界PDK+EDA的厂商梳理

硅光代工大厂Tower将自家PDK整合进Luceda IPKISS软件中，形成了使用OpenLight PDK 画图可直接对接Tower制程流片的生态；GlobalFoundries （GF）自研Fotonix硅光子平台，Fotonix同时也是业界认可度最高、最完整生态最成熟的硅光子PDK平台，博通（Broadcom）、英伟达（NVIDIA）、思科（Cisco）都是这家fab的大客户。三星也推出了自家基于300mm（12 英寸）SOI CMOS 工艺的硅光子PDK平台300-mm，台积电的COUPE则是从系统级出发，将光信号的硅基出光、信号调制、耦合器、波导、光引擎出光一系列全部打包整合到一起，较传统器件级PDK多出了3D堆叠，阵列反射和晶圆级光电测试等，台积电还拥有硅光子的五十几项核心专利，几乎涵盖光信号的“从生到死”，护城河极深。

硅光子代工厂PDK梳理（图源：SST）

同样国内也涌现出一批初创EDA企业和硅光子PDK平台：

￮逍遥科技：专注于光电子芯片（PIC）与特色工艺的全流程自主 EDA 软件开发，其核心产品 PIC Studio，打通了从原理图设计、光电混合仿真到版图自动布局布线与物理验证的完整闭环，具备出色的多求解器兼容性与本地化定制能力，是国内光子集成电路设计EDA软件的佼佼者。

￮硅芯科技：立足于 2.5D/3D 堆叠（Chiplet）与先进封装领域，提出了独具特色的“EDA+”解决方案，并成功打造出“3Sheng集成平台”，突破了传统 2D 设计局限，提供涵盖架构探索、3D 跨芯粒物理验证（DRC/LVS）、电热耦合及信号完整性（SI/PI）仿真的全链条协同能力，专门解决复杂算力与 HBM 芯片的大规模异构集成难题。

￮南智光电：聚焦于薄膜铌酸锂（TFLN）和薄膜钽酸锂（TFLT）等前沿异质集成材料体系，通过开发面向超高带宽（>50GHz）与低损耗器件的专有 PDK，将模型设计与自身的中试流片线深度绑定，构建了“PDK 研发 — 仿真验证 — 代工生产”的高效闭环平台。

￮上海工研院：作为“超越摩尔”与硅基光电子领域的工业级研发及中试平台，基于 8/12 英寸晶圆线的真实量产数据打造了高精度的标准 PDC/PDK 体系（覆盖 180nm/90nm SOI 等工艺），能无缝兼容主流国际光电 EDA 软件，为光通信、光计算等企业提供强有力的芯片设计与 MPW 流片支撑。

￮九峰山实验室：坐落于武汉的化合物半导体与硅光异质集成平台的九峰山实验室，重点研发硅基 III-V 族异质集成、高带宽调制器及光电融合集成的专有 PDK，立足于新一代高速率CPO和NPO光电芯片架构设计。