摩尔定律终结之后：光子学取代电子学，PDA取代EDA

　　过去，我们将年度预测重点放在电子产品（IC 和 EDA）上，但是最近将重点转向了光子学，因此我对 2020 年的预测主要集中在这一领域。

　　从历史上看，光子学一直是砷化镓技术。过去，现在和将来将永远是未来的技术。分析师们永远在预测光子学的兴起。明年，随着摩尔定律在电子领域的终结或放慢，光子学将自成一体，进入其发展的曲棍球棒阶段。尽管光子学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，但尚未实现爆炸性的增长。

　　分析师永远都在预测光子学的崛起;明年，随着摩尔定律在电子领域的终结或放缓，光子学将确立自己的地位，进入发展的曲棍球棒阶段（曲棍球棒效应(Hockey-stick Effect)，是指在某一个固定的周期，前期销量很低，到期末销量会有一个突发性的增长，而且在连续的周期中，这种现象会周而复始，其需求曲线的形状类似于曲棍球棒，因此在供应链管理中被称为曲棍球棒现象）。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。 

　　这是为什么？有几个原因。首先，光子学不符合摩尔定律：光的波长就是光的波长。这是一个常数。它并不是每两年就减半，因此摩尔定律所驱动的电子学领域的惊人进步只是不适用于光子学。

　　接下来，电子工程师将一如既往地聪明，每当摩尔定律宣告即将终结之时，就会有新的办法出现，工程师们不断地突破电子领域曾经被认为是不可逾越的障碍。因此，用光子学代替电子学的应用仍然被越来越聪明的电子设计所取代。用光子学取代电子学可能仍是不可避免的，但时间轴仍在向前移动。

　　最后，在过去的半个世纪里，电子学已经发展成为今天复杂的、运转良好的设计和制造生态系统，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，现在又收购了 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。许多人认为这一趋势是承认光子学时代的到来，以及主要电信供应商需要提供领先的光子学解决方案。

　　那今年呢？光子学会在 2020 年成为焦点吗？接下来我们将预测几种会影响该拐点到来时间的趋势。

　　在越来越短的距离内，光子学变得越来越重要，然后成为主流，最后成为主导。如今，电信运营商已通过光纤向您的家庭和商务旅行提供了数千米的远距离通信。现在，光子学已经转移到数据中心。全球范围内的大型超大规模数据中心在功耗、成本、热量、带宽和数据延迟方面都处于挣扎状态。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，速度更快，延迟更短，带宽更高，并且消耗的功率更少，从而降低了热量和电力成本。

　　数据中心机架之间的光纤接管已基本完成，并且光纤已移至同一机架中的互连服务器上。因此，光子学已经从在一公里距离的主导地位，发展到十米距离的程度，再到一米距离。到 2020 年，光子集成电路（PIC）将会在市场上变得更加普遍，从而使光子学在毫米距离内变得有意义。目前正在进行将包括激光器在内的光子学与电子芯片集成的工作，将光子学的相关性降低到微米距离。

　　随着以太网数据传输速度在 2020 年继续从 100G 迁移到 200G，光子学在光纤任一端所需的收发器中变得越来越有吸引力。100G 的扩展工作已经基本完成。到 2020 年，过渡到 200G 的工作将会顺利进行，早期采用者将过渡到 400G。通过巧妙的工程设计，电子产品可以 100G 的速度继续良好运行，但光子已经具有了竞争力，并且市场上有许多 100G 光子收发器设计可供选择。我们将从 IC 设计师那里看到更多的聪明才智，但是在 400G 时，电子产品将失去对收发器市场的更多控制，而光子学将开始从相关性向普及性发展。到我们达到 800G 和 1T 的时（注：这个要到以后相当长的时间才可以达到）时，光子技术将占主导地位，将几乎找不到电子收发器。

　　FANG（Facebook，Amazon / Apple，Netflix，Google）的光子学设计团队将专注于根据自己的规格调整光子收发器，这将加速光子在数据中心的主导地位。运营着庞大的数据中心，他们将从光子设计中获得巨大的利益，光子设计可以满足他们的特殊需求，就像我们看到的尖牙设计他们自己的集成电路一样。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。

　　如今的光子代工厂主要由小型商业或研发型晶圆厂所主导，例如 SMART Photonics，LionX，Ligentec，imec，Leti 和 AIM，它们通常是面向研发或提供 MPW，而不是大规模的商业化生产。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 是世界领先的半导体代工厂的主要客户。这些代工厂注意到光子设计项目的增加，已经进入或正在考虑进入光子业务。这些工厂将利用其生产知识，经验和技能来构建成熟的生态系统，从而加快其商业化进程。

　　在过去的几年中，TowerJazz 和 GlobalFoundries 等领先的半导体代工厂开始为光子学业务提供服务。到 2020 年，其他主要的半导体代工厂将进入光子学业务。这些代工厂的新进加入将加快硅光子学的商业化应用。光子学为半导体代工厂提供的一个吸引人的优势是不需要尖端技术，因此不需要大规模的电子产品研发和资本投资。相反，光子学可以利用完全资本化的半导体制造设备来获得可观的利润。

　　光子学成熟的一个指标是代工厂的工艺开发套件（PDK）的出现。第一个光子 PDK 大约在两年前就出现了，随着代工厂提供针对各种设计工具的 PDK，它们开始变得流行起来。与半导体代工厂提供的库相比，这些 PDK 还比较原始，但它们是商业化光子生态系统成熟的重要且重要的一步，需要在代工厂和光子设计自动化（PDA）公司之间建立牢固的合作关系。他们一起生产新的 PDK，并推动现有 PDK 的发展。随着更多光子 IC 的制造和测试，越来越多的数据可用于统计分析。2020 年将出现基于统计的 PDK，在更高级的 PDA 仿真工具中启用蒙特卡洛和工艺角静态分析。这将导致更稳健的设计，新的重点放在可制造性上，这是光子学商业化的另一个要求。

　　成熟的 EDA 供应商正在注意到新兴的光电子市场。他们提供针对该市场的设计工具，并与领先的 PDA 公司结成关键联盟，以提供完整的集成设计流程。去年，Mentor 推出了 LightSuite Photonic Compiler，同时利用其 Tanner 工具提供原理图和布局。Cadence 通过 CurvyCore 引入了曲线功能，以启用其业界领先的定制设计平台 Virtuoso 用于光子学。Mentor 和 Cadence 都将其设计流程与领先的光子仿真提供商 Lumerical 集成在一起。例如，Cadence 提供了协同仿真功能，使整个设计流程能够通过 Virtuoso 进行驱动。Synopsys 则采取了更多的独立战略。

　　我们预计主要的 EDA 供应商的加入预示着 PDA 工具的价格将会更高。流行的 EDA 工具的平均售价要比 PDA 工具高很多。这种不平衡不是长期可持续的，因为它将阻碍对 PDA 的所需投资以及 PDA 公司在新的 EPDA 环境中竞争的能力。尽管更改不会突然发生，但它将是一致的。

　　去年出现了集成的电子-光子设计自动化（EPDA）流程，到 2020 年，随着增加的统计和制造设计（DFM）功能，它们将变得更加复杂。统计方面的考虑将需要更多的计算能力，因此在 2020 年，我们还将看到高性能计算应用于 PDA，Amazon AWS 和 Microsoft Azure 成为通过利用其数据中心中的所有这些光子在云中提供光子的重要参与者。

　　与电子产品相比，光子设计仅包含一些精心制作的组件。代工厂提供的 PDK 中可以找到许多这些组件，但是每个前沿光子设计将始终包含一些更通用的代工厂 PDK 无法提供的关键组件。这为一些定位良好的公司提供了建立光子 IP（PIP）业务的机会。管理完善，拥有卓越光子设计能力和专注力的公司，以及廉价获得设计工具的机会，很可能带动这一市场的兴起。凭借对光子设计的不懈努力，这些公司将提供卓越的设计。希望提供领先的光子设计的公司将与这些 PIP 供应商合作，将其组件设计外包，以便将自己的资源集中在其他增值领域，例如整个 PIC 设计。在起步阶段，PIP 业务可能会与定制设计服务保持业务相似性。

　　光子学设计方法学的突破将提供更高质量，更可制造的设计，并且将降低障碍，因此光子学设计不再需要物理学博士学位。更好的设计将推动光子学可以竞争并赢得竞争的应用。合格的设计师将使公司拥有更大的能力来配备其光子学设计团队，从而导致更大的竞争，从而带来更好的产品和更快的发展。

　　我们已经看到来自斯坦福大学和 Lumerical 与开源社区合作的消息来源的光子逆设计的影响。我们开始看到，通过大大改进的品质因数，大大缩短了设计周期，组件设计可以更简单地完成。

　　即使是最好发布的设计，我们也看到了改进，通常需要几天的时间才能完成。我们看到组件的数量级改进。Photonic Inverse Design 的简化的自动化设计方法将取代今天的手动迭代过程，并将在 2020 年应用于各种光子组件。PhotonicInverse Design 对光子学的影响将类似于逻辑综合对 IC 设计的影响。 1980 年代。这将扩大合格的光子学设计人员的圈子，并加快光子学设计的上市时间。我们认为向光子逆设计的过渡类似于提高设计师工作的抽象水平。正如提高 IC 设计的抽象水平释放了 IC 设计人员的工作量一样，

　　光子学的应用

　　收发器：2020 年将继续光子学在数据中心的接管趋势。在 2020 年，当我们从 100G 升级到 200G 并达到 400G 以太网传输速度时，这一点将更加明显。

　　LiDAR（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，大量初创公司专注于减小 LiDAR 的尺寸（减少一副卡片）和降低成本（一个数量级），其中一些将在 2020 年展示其设计。此外，我们还将看到基于光子学的 LiDAR 至少由一家知名的领先的 LiDAR 公司设计。

　　5G：到 2020 年，我们将切实看到 5G 的构建。这将推动光子芯片的量产，因为在前程和后程中均部署了诸如 NG-PON2 之类的新的光子技术。随着 5G 毫米波的部署，5G 中将出现曲棍球拐点。不过这种更广泛的 5G 建设不会在 2020 年真正发生。

　　传感器：也许有点乏味，但这是光子学正稳步发展的应用领域，这种进步将持续到 2020 年。医学是一个特别有趣的领域为光电传感器具有很大的机会。医疗领域的进展将更多地取决于法律法规，而非技术，2020 年在这一领域不会出现突破。

　　AR/VR：预测我们的技术未来的最简单方法是观看《星际迷航》。星际迷航的所有技术最终都会实现。对于光子学来说，这是个好消息。如果我们要穿梭于篱笆墙，光子学将发挥重要作用。

　　量子计算：量子是另一个将推动光子学的应用。2020 年将不是量子年，但我们确实预计至少会有一项重要的量子声明令所有人震惊。

　　总结

　　未来的技术光子学将在 2020 年得到稳步的发展。增长率将是令人印象深刻的，大量的应用将成为焦点。工程师们在电子技术领域的聪明才智的耗尽，以及光子学生态系统的进化，将进一步束缚住电子学增长的脚步。随着商业代工厂的加入和设计自动化的成熟，成熟的迹象变得越来越普遍。2020 年是光子学商业化的一年。

　　原文：https://semiwiki.com/eda/280982-photonics-come-into-focus-2020-predictions/