光子學(xué)將獨(dú)樹(shù)一幟 進(jìn)入發(fā)展的曲線階段

在過(guò)去，IC和EDA都會(huì)成為年度預(yù)測(cè)的焦點(diǎn)，但是最近我把注意力轉(zhuǎn)向了光子學(xué)這個(gè)領(lǐng)域。

歷史上，光子學(xué)一直是GaAs砷化鎵的技術(shù);過(guò)去是，現(xiàn)在是，將來(lái)也是。分析師永遠(yuǎn)都在預(yù)測(cè)光子學(xué)何時(shí)能夠崛起;2020年，隨著摩爾定律在電子領(lǐng)域的終結(jié)或放緩，光子學(xué)將獨(dú)樹(shù)一幟，進(jìn)入發(fā)展的曲線階段。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。

有幾個(gè)原因。首先，光子學(xué)并不遵循摩爾定律：光的波長(zhǎng)就是光的波長(zhǎng)，它是一個(gè)常數(shù);它只是沒(méi)有每?jī)赡隃p半，所以由摩爾定律驅(qū)動(dòng)的電子技術(shù)的顯著進(jìn)步不適用于光子學(xué)。

其次，工程師們不斷地突破電子領(lǐng)域曾被認(rèn)為是不可逾越的障礙。因此，光子學(xué)取代電子學(xué)應(yīng)用仍然被越來(lái)越聰明的電子設(shè)計(jì)所取代。

最后，光子學(xué)生態(tài)系統(tǒng)還沒(méi)有進(jìn)化到足以支撐一個(gè)大規(guī)模的商業(yè)市場(chǎng)。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、運(yùn)轉(zhuǎn)良好的設(shè)計(jì)和制造系統(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)為光子學(xué)時(shí)代即將到來(lái)，電信供應(yīng)商也將會(huì)開(kāi)發(fā)出領(lǐng)先的光子學(xué)解決方案。

2020年光子學(xué)會(huì)成為焦點(diǎn)嗎？

光子學(xué)的發(fā)展會(huì)變得越來(lái)越相關(guān)，然后會(huì)普遍的存在，最后在越來(lái)越短的距離上占主導(dǎo)地位。今天，電信通過(guò)光纖（一種以光子學(xué)為主的應(yīng)用）傳送到數(shù)公里外的家庭和商務(wù)旅行中。現(xiàn)在光子學(xué)已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)據(jù)中心。全球范圍內(nèi)的超大型規(guī)模數(shù)據(jù)中心都在與功耗、成本、熱量、帶寬和數(shù)據(jù)延遲作斗爭(zhēng)。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、更快、延遲更短、帶寬更高、消耗的電力更少，從而降低了熱量和電力成本。

光纖在數(shù)據(jù)中心機(jī)架之間的接管已經(jīng)基本完成，光纖已經(jīng)轉(zhuǎn)移到同一機(jī)架相互連接的服務(wù)器上。因此，光子學(xué)已經(jīng)從在公里距離上的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展到在十米距離上的普及，再到在一米距離上的相關(guān)性。2020年，光子集成電路（PIC）將在商業(yè)上更加普及，使光子技術(shù)在毫米范圍內(nèi)得到應(yīng)用。今后將繼續(xù)整合光子學(xué)，包括激光，芯片與電子，移動(dòng)光子學(xué)的相關(guān)性到微米級(jí)別。

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)在光纖兩端所需的收發(fā)器中變得更有吸引力了，100G的擴(kuò)建工程已基本完成。到2020年，向著200G的過(guò)渡將順利進(jìn)行，早期用戶將轉(zhuǎn)向400G。通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)，電子產(chǎn)品可以以100G的速度傳輸，但是光子學(xué)更強(qiáng)，市場(chǎng)上有很多100G的光子學(xué)收發(fā)器設(shè)計(jì)。但是400G以后，電子產(chǎn)品將會(huì)失去它在收發(fā)機(jī)市場(chǎng)的控制力，而光子學(xué)將會(huì)嶄露頭角。當(dāng)我們達(dá)到800G和1T（遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)2020年）時(shí)，光子學(xué)將完全占據(jù)主導(dǎo)地位，甚至連一個(gè)電子收發(fā)器都找不到。

FANG組合 （Facebook、Amazon/Apple、Netflix、Google）組建的光子設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正專注于按照他們自己的規(guī)格調(diào)整的光子收發(fā)器，這是2020年的一個(gè)新趨勢(shì)，這將加速光子在數(shù)據(jù)中心的主導(dǎo)地位。對(duì)龐大的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行評(píng)級(jí)后，他們將從為自己的特定需求而設(shè)計(jì)的光子設(shè)計(jì)中獲益良多，就像我們所看到的FANG設(shè)計(jì)自己的IC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。

由小型商業(yè)或研發(fā)晶圓廠的主導(dǎo)，如SMART Photonics、LionX、Ligentec、imec、Leti和AIM，今天的光電子晶圓廠一般是面向研發(fā)或提供MPW（多項(xiàng)目晶圓），而非大型商業(yè)運(yùn)行。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是全球領(lǐng)先半導(dǎo)體代工廠的主要客戶。晶圓廠注意到光子設(shè)計(jì)活動(dòng)的增加，并已進(jìn)入或正在考慮進(jìn)入光子業(yè)務(wù)。這將加速它的商業(yè)化，這些晶圓廠可以利用他們的生產(chǎn)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和技能來(lái)建立成熟的生態(tài)系統(tǒng)。

在過(guò)去的幾年里，領(lǐng)先的半導(dǎo)體代工廠如TowerJazz和GlobalFoundries開(kāi)始為光電子業(yè)務(wù)提供服務(wù)。到2020年，其他主要的半導(dǎo)體晶圓廠將進(jìn)入光電子行業(yè)。這些晶圓廠的加入將使硅光子學(xué)成為合法的商業(yè)企業(yè)。光子學(xué)為晶圓廠提供了一個(gè)很好的優(yōu)勢(shì)：不需要尖端技術(shù)。這就意味著不需要大規(guī)模的電子產(chǎn)品研發(fā)和資本投資。相反，光子學(xué)會(huì)利用充分資本化的半導(dǎo)體制造設(shè)備來(lái)賺取可觀的利潤(rùn)。

工藝開(kāi)發(fā)工具包（PDK）的出現(xiàn)是光子技術(shù)成熟的標(biāo)志。第一個(gè)光子PDK出現(xiàn)在大約兩年前，隨著晶圓廠提供針對(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)體晶圓廠提供的庫(kù)相比，這些PDK往往比較原始，但它們是走向成熟的商業(yè)光子學(xué)生態(tài)系統(tǒng)的重要一步，需要晶圓廠與光子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（PDA）公司之間建立強(qiáng)有力的合作關(guān)系。從而共同生產(chǎn)新的PDK，并推動(dòng)現(xiàn)有PDK發(fā)展。由于更多的圖片被制造和測(cè)量，因此就會(huì)產(chǎn)生足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。2020年將出現(xiàn)基于統(tǒng)計(jì)的PDK，使蒙特卡洛和角統(tǒng)計(jì)分析在更先進(jìn)的PDA模擬工具中成為可能。這將形成更穩(wěn)健的設(shè)計(jì)，進(jìn)而把重點(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。

老牌EDA廠商注意到了新興的光子電子市場(chǎng)。他們正針對(duì)這一市場(chǎng)提供設(shè)計(jì)工具，并與領(lǐng)先的PDA公司結(jié)成關(guān)鍵聯(lián)盟，提供完整集成設(shè)計(jì)流程。去年，Mentor引入了LightSuite光子編譯器，同時(shí)利用他們的Tanner工具提供原理圖和布局。Cadence通過(guò)ycore引入了曲線功能，使其成為行業(yè)領(lǐng)先的定制設(shè)計(jì)平臺(tái)，成為光電子領(lǐng)域的大師。Mentor和Cadence已經(jīng)將他們的設(shè)計(jì)流程與領(lǐng)先的光子模擬提供商Lumerical進(jìn)行了集成。例如，Cadence提供了co模擬功能，使整個(gè)設(shè)計(jì)流程能夠通過(guò)Virtuoso座艙進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。Synopsys采取了更多的單干策略。

我預(yù)測(cè)主要的EDA供應(yīng)商的加入預(yù)示著PDA工具價(jià)格的提高。流行EDA工具的平均銷售價(jià)格要比PDA工具高很多。這種不平衡是不可持續(xù)的，因?yàn)樗鼘⒆璧KPDA所需的投資和PDA公司在新的EPDA環(huán)境中的競(jìng)爭(zhēng)力。雖然這種變化不會(huì)是突然的，但它將是持續(xù)的。

盡管集成電子-光子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EPDA）流程去年就已出現(xiàn)，但隨著統(tǒng)計(jì)和制造設(shè)計(jì)（DFM）功能的增加，到2020年，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算力，因此在2020年，我們還將看到高性能計(jì)算應(yīng)用于PDA上， Amazon AWS和Microsoft Azure將利用其數(shù)據(jù)中心的光子技術(shù)，成為在云計(jì)算中交付光子技術(shù)的重要參與者。

與電子學(xué)不同，光子設(shè)計(jì)只包含幾個(gè)精密的元件。許多這樣的元件可以在由晶圓廠提供的PDK中找到，但是每一個(gè)前沿的光子設(shè)計(jì)總是會(huì)包含一些重要的元件，這些元件是晶圓廠PDK所不能提供的。這為一些公司創(chuàng)建光子IP （PIP）業(yè)務(wù)創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。具有極高的光子設(shè)計(jì)能力可以獲得廉價(jià)的設(shè)計(jì)工具，可能會(huì)在市場(chǎng)上占得先機(jī)。這些公司專注于光子設(shè)計(jì)，并提供卓越的服務(wù)。

將光子設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步精進(jìn)將提供更高質(zhì)量、更可制造的設(shè)計(jì)，并將降低障礙，使光子設(shè)計(jì)不再需要如此高的門檻。更好的設(shè)計(jì)將推動(dòng)光子學(xué)在應(yīng)用上的競(jìng)爭(zhēng)力。此外，更多合格的設(shè)計(jì)師將使公司有更強(qiáng)的能力來(lái)組建他們的光子設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，從而產(chǎn)生更好的產(chǎn)品和更快的發(fā)展。

我們已經(jīng)看到了來(lái)自斯坦福大學(xué)和Lumerical與開(kāi)源社區(qū)合作的光子逆向設(shè)計(jì)。通過(guò)他們的方案，組件設(shè)計(jì)完成得更簡(jiǎn)單了，設(shè)計(jì)周期大大縮短（幾天，而不是幾個(gè)月）。

即使是已發(fā)表的優(yōu)秀設(shè)計(jì)也在不斷改進(jìn)，而且往往在幾天內(nèi)就能完成。光子逆設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化、自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法將取代目前的手工迭代過(guò)程，并有望將在2020年應(yīng)用于各種光子器件。光子逆設(shè)計(jì)對(duì)光子學(xué)的影響類似于20世紀(jì)80年代邏輯合成對(duì)集成電路設(shè)計(jì)的影響。它將擴(kuò)大合格的光子學(xué)設(shè)計(jì)師的圈子，加速光子學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。我認(rèn)為對(duì)光子逆向設(shè)計(jì)的研究類似于提高設(shè)計(jì)師工作的抽象水平。隨著IC設(shè)計(jì)抽象水平的提高，集成電路設(shè)計(jì)師的工作效率如潮水般高漲，我預(yù)計(jì)光子學(xué)設(shè)計(jì)師的工作效率也會(huì)有類似的提高。

應(yīng)用程序

收發(fā)機(jī)：2020年將延續(xù)光子學(xué)在數(shù)據(jù)中心的接管趨勢(shì)。當(dāng)我們的傳輸速度從100G增加到200G，再增加到400G時(shí)，這一點(diǎn)會(huì)變得更加明顯。

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)是自主車輛的關(guān)鍵技術(shù)， 但它不可能安裝在日常乘用車上，也不可能安裝在原型車快速旋轉(zhuǎn)咖啡罐大小的激光雷達(dá)上，更不可能將這數(shù)千美元的設(shè)備嫁接到日用車上去。大量的初創(chuàng)公司專注于縮減激光雷達(dá)的規(guī)模和成本，其中幾家將在2020年公布他們的設(shè)計(jì)。我們希望看到至少一家知名的激光雷達(dá)公司基于光子的激光雷達(dá)設(shè)計(jì)。

激光雷達(dá)是一項(xiàng)重大的發(fā)明。但是，特斯拉Elon Musk曾表示，雷達(dá)+攝像頭已經(jīng)對(duì)自動(dòng)駕駛起到了顯著的提高，所以激光雷達(dá)沒(méi)必要存在。Musk這么說(shuō)是有原因的，這之間的問(wèn)題是：如何降低激光雷達(dá)的成本和尺寸與提高雷達(dá)+相機(jī)的能力之間的競(jìng)爭(zhēng)。這場(chǎng)比賽的獲勝者將決定駕駛自動(dòng)駕駛汽車的光子學(xué)應(yīng)用的命運(yùn)。

5G： 2020年，我們將看到5G的真正構(gòu)建。隨著NG-PON2等有利于光子的新技術(shù)同時(shí)部署在前傳和后傳中，這將推動(dòng)功率集成電路PIC的發(fā)展。隨著建筑物內(nèi)的毫米波部署，5G也將出現(xiàn)曲棍球棒效應(yīng)。但這種更大規(guī)模的5G建設(shè)不會(huì)真正實(shí)現(xiàn)。

傳感器：醫(yī)學(xué)是一個(gè)特別有趣的領(lǐng)域，在光子學(xué)方面有很強(qiáng)的機(jī)會(huì)。醫(yī)療進(jìn)步的步伐將更多地由法律法規(guī)而不是技術(shù)來(lái)決定， 2020年在這一領(lǐng)域?qū)⒑茈y看到突破。

AR/VR：據(jù)說(shuō)預(yù)測(cè)科技未來(lái)最簡(jiǎn)單的方法就是看《星際迷航》?！缎请H迷航》的所有技術(shù)最終都會(huì)實(shí)現(xiàn)。這對(duì)光子學(xué)來(lái)說(shuō)是個(gè)好消息。如果我們要在全息甲板上跳躍，光子學(xué)將起很大作用。

量子計(jì)算：量子是另一個(gè)推動(dòng)光子學(xué)應(yīng)用的領(lǐng)域?？上У氖?，2020年不會(huì)是量子年，但我預(yù)測(cè)至少會(huì)有一個(gè)重要的量子公告讓我們大吃一驚。這則大新聞將同時(shí)一家大型老牌公司和一家初創(chuàng)公司發(fā)布。

總結(jié)

所以說(shuō)，光子學(xué)作為未來(lái)的技術(shù)，將在2020年得到堅(jiān)實(shí)的發(fā)展。隨著大量的應(yīng)用程序成為關(guān)注焦點(diǎn)，會(huì)有驚人的增長(zhǎng)速度。工程師們?cè)陔娮蛹夹g(shù)領(lǐng)域的聰明才智，以及光子學(xué)生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)化，將會(huì)大踏步前進(jìn)。而且，隨著晶圓廠的加入和設(shè)計(jì)自動(dòng)化的成熟， 2020年有望是光子技術(shù)商業(yè)化的一年。

注釋：

1. FANG

吉姆·克萊默杜撰了“FANG”這個(gè)概念?！癋ANG”指的是Facebook、亞馬遜（Amazon）、Netflix與谷歌（Google）四支科技股，它們?cè)诠墒猩暇憩F(xiàn)出了高成長(zhǎng)性。無(wú)一例外地，F(xiàn)ANG公司都并沒(méi)有在它們各自的生態(tài)里創(chuàng)建出最有價(jià)值的內(nèi)容，它們只是讓這些內(nèi)容更容易被消費(fèi)者或用戶所獲取，所以用戶逐漸就通過(guò)FANG公司的主頁(yè)來(lái)發(fā)現(xiàn)內(nèi)容。如此一來(lái)，再加上互聯(lián)網(wǎng)讓渠道免費(fèi)，這就意味著FANG以它們的方式前所未有地獲取了更大的權(quán)力，也有了變現(xiàn)的更多可能。四家FANG公司，每一個(gè)都以它們的方式進(jìn)行技術(shù)性創(chuàng)新（特別是谷歌，它甚至被證明是一種規(guī)則），但是它們——恰如Uber——也不可思議地依賴于已經(jīng)存在的產(chǎn)品與基礎(chǔ)設(shè)施。它們現(xiàn)在或未來(lái)具備統(tǒng)治力的關(guān)鍵，是它們對(duì)顧客的接近性、出色的用戶體驗(yàn)，以及在互聯(lián)網(wǎng)之前絕對(duì)不可能有的商業(yè)模式。

2. 蒙特卡洛（Monte Carlo）法

蒙特卡洛（Monte Carlo）法是一類隨機(jī)算法的統(tǒng)稱。原理是通過(guò)大量隨機(jī)樣本，去了解一個(gè)系統(tǒng)，進(jìn)而得到所要計(jì)算的值。它非常強(qiáng)大和靈活，又相當(dāng)簡(jiǎn)單易懂，很容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于許多問(wèn)題來(lái)說(shuō)，它往往是最簡(jiǎn)單的計(jì)算方法，有時(shí)甚至是唯一可行的方法。它誕生于上個(gè)世紀(jì)40年代美國(guó)的“曼哈頓計(jì)劃”，名字來(lái)源于賭城蒙特卡羅，象征概率。

隨著二十世紀(jì)電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，蒙特卡洛法已經(jīng)在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出了超強(qiáng)的能力。在機(jī)器學(xué)習(xí)和自然語(yǔ)言處理技術(shù)中，常常被用到的MCMC也是由此發(fā)展而來(lái)。