光子學(xué)取代電子學(xué)，PDA取代EDA

過(guò)去，我們將年度預(yù)測(cè)重點(diǎn)放在電子產(chǎn)品（IC和EDA）上，但是最近將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了光子學(xué)，因此我對(duì)2020年的預(yù)測(cè)主要集中在這一領(lǐng)域。從歷史上看，光子學(xué)一直是砷化鎵技術(shù)。過(guò)去，現(xiàn)在和將來(lái)將永遠(yuǎn)是未來(lái)的技術(shù)。分析師們永遠(yuǎn)在預(yù)測(cè)光子學(xué)的興起。明年，隨著摩爾定律在電子領(lǐng)域的終結(jié)或放慢，光子學(xué)將自成一體，進(jìn)入其發(fā)展的曲棍球棒階段。盡管光子學(xué)以驚人的速度在我們的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)中扮演著越來(lái)越重要的角色，但尚未實(shí)現(xiàn)爆炸性的增長(zhǎng)。

分析師永遠(yuǎn)都在預(yù)測(cè)光子學(xué)的崛起;明年，隨著摩爾定律在電子領(lǐng)域的終結(jié)或放緩，光子學(xué)將確立自己的地位，進(jìn)入發(fā)展的曲棍球棒階段（曲棍球棒效應(yīng)（Hockey-stick Effect），是指在某一個(gè)固定的周期，前期銷(xiāo)量很低，到期末銷(xiāo)量會(huì)有一個(gè)突發(fā)性的增長(zhǎng)，而且在連續(xù)的周期中，這種現(xiàn)象會(huì)周而復(fù)始，其需求曲線的形狀類(lèi)似于曲棍球棒，因此在供應(yīng)鏈管理中被稱為曲棍球棒現(xiàn)象）。雖然光子學(xué)正以驚人的速度在我們的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)中扮演著越來(lái)越重要的角色，但預(yù)計(jì)的爆炸性增長(zhǎng)還沒(méi)有發(fā)生。

這是為什么？有幾個(gè)原因。首先，光子學(xué)不符合摩爾定律：光的波長(zhǎng)就是光的波長(zhǎng)。這是一個(gè)常數(shù)。它并不是每?jī)赡昃蜏p半，因此摩爾定律所驅(qū)動(dòng)的電子學(xué)領(lǐng)域的驚人進(jìn)步只是不適用于光子學(xué)。

接下來(lái)，電子工程師將一如既往地聰明，每當(dāng)摩爾定律宣告即將終結(jié)之時(shí)，就會(huì)有新的辦法出現(xiàn)，工程師們不斷地突破電子領(lǐng)域曾經(jīng)被認(rèn)為是不可逾越的障礙。因此，用光子學(xué)代替電子學(xué)的應(yīng)用仍然被越來(lái)越聰明的電子設(shè)計(jì)所取代。用光子學(xué)取代電子學(xué)可能仍是不可避免的，但時(shí)間軸仍在向前移動(dòng)。

最后，在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，電子學(xué)已經(jīng)發(fā)展成為今天復(fù)雜的、運(yùn)轉(zhuǎn)良好的設(shè)計(jì)和制造生態(tài)系統(tǒng)，但這種發(fā)展還沒(méi)有發(fā)生在光子學(xué)上。今天的光子學(xué)生態(tài)系統(tǒng)仍然與20世紀(jì)80年代早期的電子生態(tài)系統(tǒng)最為相似。

2019年，更多的大公司收購(gòu)了主要的光電子供應(yīng)商，比如思科收購(gòu)了Luxtera，現(xiàn)在又收購(gòu)了Acacia Communications， II-VI收購(gòu)了全球領(lǐng)先的光通訊產(chǎn)品供應(yīng)商Finisar，博通從富士康收購(gòu)了它們的光收發(fā)設(shè)備資產(chǎn)。許多人認(rèn)為這一趨勢(shì)是承認(rèn)光子學(xué)時(shí)代的到來(lái)，以及主要電信供應(yīng)商需要提供領(lǐng)先的光子學(xué)解決方案。

那今年呢？光子學(xué)會(huì)在2020年成為焦點(diǎn)嗎？接下來(lái)我們將預(yù)測(cè)幾種會(huì)影響該拐點(diǎn)到來(lái)時(shí)間的趨勢(shì)。

在越來(lái)越短的距離內(nèi)，光子學(xué)變得越來(lái)越重要，然后成為主流，最后成為主導(dǎo)。如今，電信運(yùn)營(yíng)商已通過(guò)光纖向您的家庭和商務(wù)旅行提供了數(shù)千米的遠(yuǎn)距離通信?，F(xiàn)在，光子學(xué)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)中心。全球范圍內(nèi)的大型超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心在功耗、成本、熱量、帶寬和數(shù)據(jù)延遲方面都處于掙扎狀態(tài)。用光纖代替銅線解決了所有這些問(wèn)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(shù)據(jù)中心機(jī)架之間的光纖接管已基本完成，并且光纖已移至同一機(jī)架中的互連服務(wù)器上。因此，光子學(xué)已經(jīng)從在一公里距離的主導(dǎo)地位，發(fā)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(huì)在市場(chǎng)上變得更加普遍，從而使光子學(xué)在毫米距離內(nèi)變得有意義。目前正在進(jìn)行將包括激光器在內(nèi)的光子學(xué)與電子芯片集成的工作，將光子學(xué)的相關(guān)性降低到微米距離。

隨著以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速度在2020年繼續(xù)從100G遷移到200G，光子學(xué)在光纖任一端所需的收發(fā)器中變得越來(lái)越有吸引力。100G的擴(kuò)展工作已經(jīng)基本完成。到2020年，過(guò)渡到200G的工作將會(huì)順利進(jìn)行，早期采用者將過(guò)渡到400G。通過(guò)巧妙的工程設(shè)計(jì)，電子產(chǎn)品可以100G的速度繼續(xù)良好運(yùn)行，但光子已經(jīng)具有了競(jìng)爭(zhēng)力，并且市場(chǎng)上有許多100G光子收發(fā)器設(shè)計(jì)可供選擇。我們將從IC設(shè)計(jì)師那里看到更多的聰明才智，但是在400G時(shí)，電子產(chǎn)品將失去對(duì)收發(fā)器市場(chǎng)的更多控制，而光子學(xué)將開(kāi)始從相關(guān)性向普及性發(fā)展。到我們達(dá)到800G和1T的時(shí)（注：這個(gè)要到以后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才可以達(dá)到）時(shí)，光子技術(shù)將占主導(dǎo)地位，將幾乎找不到電子收發(fā)器。

FANG（Facebook，Amazon / Apple，Netflix，Google）的光子學(xué)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將專(zhuān)注于根據(jù)自己的規(guī)格調(diào)整光子收發(fā)器，這將加速光子在數(shù)據(jù)中心的主導(dǎo)地位。運(yùn)營(yíng)著龐大的數(shù)據(jù)中心，他們將從光子設(shè)計(jì)中獲得巨大的利益，光子設(shè)計(jì)可以滿足他們的特殊需求，就像我們看到的尖牙設(shè)計(jì)他們自己的集成電路一樣。到2020年，我們可能看不到這項(xiàng)活動(dòng)的成果，但它將顯著提高世界光子設(shè)計(jì)能力，加速商業(yè)光子生態(tài)系統(tǒng)的演化。

如今的光子代工廠主要由小型商業(yè)或研發(fā)型晶圓廠所主導(dǎo)，例如SMART Photonics，LionX，Ligentec，imec，Leti和AIM，它們通常是面向研發(fā)或提供MPW，而不是大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)。雖然固態(tài)晶圓廠在其光電子產(chǎn)品（如用于激光的磷化銦）方面處于領(lǐng)先地位，但這些晶圓廠目前還不具備推動(dòng)大型商業(yè)市場(chǎng)的能力，而且它們還沒(méi)有機(jī)會(huì)發(fā)展大型半導(dǎo)體晶圓廠在過(guò)去幾十年里建立起來(lái)的極端客戶支持流程。

FANG是世界領(lǐng)先的半導(dǎo)體代工廠的主要客戶。這些代工廠注意到光子設(shè)計(jì)項(xiàng)目的增加，已經(jīng)進(jìn)入或正在考慮進(jìn)入光子業(yè)務(wù)。這些工廠將利用其生產(chǎn)知識(shí)，經(jīng)驗(yàn)和技能來(lái)構(gòu)建成熟的生態(tài)系統(tǒng)，從而加快其商業(yè)化進(jìn)程。

在過(guò)去的幾年中，TowerJazz和GlobalFoundries等領(lǐng)先的半導(dǎo)體代工廠開(kāi)始為光子學(xué)業(yè)務(wù)提供服務(wù)。到2020年，其他主要的半導(dǎo)體代工廠將進(jìn)入光子學(xué)業(yè)務(wù)。這些代工廠的新進(jìn)加入將加快硅光子學(xué)的商業(yè)化應(yīng)用。光子學(xué)為半導(dǎo)體代工廠提供的一個(gè)吸引人的優(yōu)勢(shì)是不需要尖端技術(shù)，因此不需要大規(guī)模的電子產(chǎn)品研發(fā)和資本投資。相反，光子學(xué)可以利用完全資本化的半導(dǎo)體制造設(shè)備來(lái)獲得可觀的利潤(rùn)。

光子學(xué)成熟的一個(gè)指標(biāo)是代工廠的工藝開(kāi)發(fā)套件（PDK）的出現(xiàn)。第一個(gè)光子PDK大約在兩年前就出現(xiàn)了，隨著代工廠提供針對(duì)各種設(shè)計(jì)工具的PDK，它們開(kāi)始變得流行起來(lái)。與半導(dǎo)體代工廠提供的庫(kù)相比，這些PDK還比較原始，但它們是商業(yè)化光子生態(tài)系統(tǒng)成熟的重要且重要的一步，需要在代工廠和光子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（PDA）公司之間建立牢固的合作關(guān)系。他們一起生產(chǎn)新的PDK，并推動(dòng)現(xiàn)有PDK的發(fā)展。隨著更多光子IC的制造和測(cè)試，越來(lái)越多的數(shù)據(jù)可用于統(tǒng)計(jì)分析。2020年將出現(xiàn)基于統(tǒng)計(jì)的PDK，在更高級(jí)的PDA仿真工具中啟用蒙特卡洛和工藝角靜態(tài)分析。這將導(dǎo)致更穩(wěn)健的設(shè)計(jì)，新的重點(diǎn)放在可制造性上，這是光子學(xué)商業(yè)化的另一個(gè)要求。

成熟的EDA供應(yīng)商正在注意到新興的光電子市場(chǎng)。他們提供針對(duì)該市場(chǎng)的設(shè)計(jì)工具，并與領(lǐng)先的PDA公司結(jié)成關(guān)鍵聯(lián)盟，以提供完整的集成設(shè)計(jì)流程。去年，Mentor推出了LightSuite Photonic Compiler，同時(shí)利用其Tanner工具提供原理圖和布局。Cadence通過(guò)CurvyCore引入了曲線功能，以啟用其業(yè)界領(lǐng)先的定制設(shè)計(jì)平臺(tái)Virtuoso用于光子學(xué)。Mentor和Cadence都將其設(shè)計(jì)流程與領(lǐng)先的光子仿真提供商Lumerical集成在一起。例如，Cadence提供了協(xié)同仿真功能，使整個(gè)設(shè)計(jì)流程能夠通過(guò)Virtuoso進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。Synopsys則采取了更多的獨(dú)立戰(zhàn)略。

我們預(yù)計(jì)主要的EDA供應(yīng)商的加入預(yù)示著PDA工具的價(jià)格將會(huì)更高。流行的EDA工具的平均售價(jià)要比PDA工具高很多。這種不平衡不是長(zhǎng)期可持續(xù)的，因?yàn)樗鼘⒆璧K對(duì)PDA的所需投資以及PDA公司在新的EPDA環(huán)境中競(jìng)爭(zhēng)的能力。盡管更改不會(huì)突然發(fā)生，但它將是一致的。

去年出現(xiàn)了集成的電子-光子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EPDA）流程，到2020年，隨著增加的統(tǒng)計(jì)和制造設(shè)計(jì)（DFM）功能，它們將變得更加復(fù)雜。統(tǒng)計(jì)方面的考慮將需要更多的計(jì)算能力，因此在2020年，我們還將看到高性能計(jì)算應(yīng)用于PDA，Amazon AWS和Microsoft Azure成為通過(guò)利用其數(shù)據(jù)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(chǎn)品相比，光子設(shè)計(jì)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(gè)前沿光子設(shè)計(jì)將始終包含一些更通用的代工廠PDK無(wú)法提供的關(guān)鍵組件。這為一些定位良好的公司提供了建立光子IP（PIP）業(yè)務(wù)的機(jī)會(huì)。管理完善，擁有卓越光子設(shè)計(jì)能力和專(zhuān)注力的公司，以及廉價(jià)獲得設(shè)計(jì)工具的機(jī)會(huì)，很可能帶動(dòng)這一市場(chǎng)的興起。憑借對(duì)光子設(shè)計(jì)的不懈努力，這些公司將提供卓越的設(shè)計(jì)。希望提供領(lǐng)先的光子設(shè)計(jì)的公司將與這些PIP供應(yīng)商合作，將其組件設(shè)計(jì)外包，以便將自己的資源集中在其他增值領(lǐng)域，例如整個(gè)PIC設(shè)計(jì)。在起步階段，PIP業(yè)務(wù)可能會(huì)與定制設(shè)計(jì)服務(wù)保持業(yè)務(wù)相似性。

光子學(xué)設(shè)計(jì)方法學(xué)的突破將提供更高質(zhì)量，更可制造的設(shè)計(jì)，并且將降低障礙，因此光子學(xué)設(shè)計(jì)不再需要物理學(xué)博士學(xué)位。更好的設(shè)計(jì)將推動(dòng)光子學(xué)可以競(jìng)爭(zhēng)并贏得競(jìng)爭(zhēng)的應(yīng)用。合格的設(shè)計(jì)師將使公司擁有更大的能力來(lái)配備其光子學(xué)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，從而導(dǎo)致更大的競(jìng)爭(zhēng)，從而帶來(lái)更好的產(chǎn)品和更快的發(fā)展。

我們已經(jīng)看到來(lái)自斯坦福大學(xué)和Lumerical與開(kāi)源社區(qū)合作的消息來(lái)源的光子逆設(shè)計(jì)的影響。我們開(kāi)始看到，通過(guò)大大改進(jìn)的品質(zhì)因數(shù)，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，組件設(shè)計(jì)可以更簡(jiǎn)單地完成。

即使是最好發(fā)布的設(shè)計(jì)，我們也看到了改進(jìn)，通常需要幾天的時(shí)間才能完成。我們看到組件的數(shù)量級(jí)改進(jìn)。Photonic Inverse Design的簡(jiǎn)化的自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法將取代今天的手動(dòng)迭代過(guò)程，并將在2020年應(yīng)用于各種光子組件。PhotonicInverse Design對(duì)光子學(xué)的影響將類(lèi)似于邏輯綜合對(duì)IC設(shè)計(jì)的影響。 1980年代。這將擴(kuò)大合格的光子學(xué)設(shè)計(jì)人員的圈子，并加快光子學(xué)設(shè)計(jì)的上市時(shí)間。我們認(rèn)為向光子逆設(shè)計(jì)的過(guò)渡類(lèi)似于提高設(shè)計(jì)師工作的抽象水平。正如提高IC設(shè)計(jì)的抽象水平釋放了IC設(shè)計(jì)人員的工作量一樣，

光子學(xué)的應(yīng)用

收發(fā)器：2020年將繼續(xù)光子學(xué)在數(shù)據(jù)中心的接管趨勢(shì)。在2020年，當(dāng)我們從100G升級(jí)到200G并達(dá)到400G以太網(wǎng)傳輸速度時(shí)，這一點(diǎn)將更加明顯。

LiDAR（激光雷達(dá)）：在2020年，我們將看到多光子驅(qū)動(dòng)的激光雷達(dá)設(shè)計(jì)的引入。激光雷達(dá)是自主車(chē)輛的關(guān)鍵技術(shù)，大量初創(chuàng)公司專(zhuān)注于減小LiDAR的尺寸（減少一副卡片）和降低成本（一個(gè)數(shù)量級(jí)），其中一些將在2020年展示其設(shè)計(jì)。此外，我們還將看到基于光子學(xué)的LiDAR至少由一家知名的領(lǐng)先的LiDAR公司設(shè)計(jì)。

5G：到2020年，我們將切實(shí)看到5G的構(gòu)建。這將推動(dòng)光子芯片的量產(chǎn)，因?yàn)樵谇俺毯秃蟪讨芯渴鹆酥T如NG-PON2之類(lèi)的新的光子技術(shù)。隨著5G毫米波的部署，5G中將出現(xiàn)曲棍球拐點(diǎn)。不過(guò)這種更廣泛的5G建設(shè)不會(huì)在2020年真正發(fā)生。

傳感器：也許有點(diǎn)乏味，但這是光子學(xué)正穩(wěn)步發(fā)展的應(yīng)用領(lǐng)域，這種進(jìn)步將持續(xù)到2020年。醫(yī)學(xué)是一個(gè)特別有趣的領(lǐng)域?yàn)楣怆妭鞲衅骶哂泻艽蟮臋C(jī)會(huì)。醫(yī)療領(lǐng)域的進(jìn)展將更多地取決于法律法規(guī)，而非技術(shù)，2020年在這一領(lǐng)域不會(huì)出現(xiàn)突破。

AR/VR：預(yù)測(cè)我們的技術(shù)未來(lái)的最簡(jiǎn)單方法是觀看《星際迷航》。星際迷航的所有技術(shù)最終都會(huì)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于光子學(xué)來(lái)說(shuō)，這是個(gè)好消息。如果我們要穿梭于籬笆墻，光子學(xué)將發(fā)揮重要作用。

量子計(jì)算：量子是另一個(gè)將推動(dòng)光子學(xué)的應(yīng)用。2020年將不是量子年，但我們確實(shí)預(yù)計(jì)至少會(huì)有一項(xiàng)重要的量子聲明令所有人震驚。

總結(jié)

未來(lái)的技術(shù)光子學(xué)將在2020年得到穩(wěn)步的發(fā)展。增長(zhǎng)率將是令人印象深刻的，大量的應(yīng)用將成為焦點(diǎn)。工程師們?cè)陔娮蛹夹g(shù)領(lǐng)域的聰明才智的耗盡，以及光子學(xué)生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化，將進(jìn)一步束縛住電子學(xué)增長(zhǎng)的腳步。隨著商業(yè)代工廠的加入和設(shè)計(jì)自動(dòng)化的成熟，成熟的跡象變得越來(lái)越普遍。2020年是光子學(xué)商業(yè)化的一年。