光子學取代電子學，PDA取代EDA

過去，我們將年度預測重點放在電子產(chǎn)品（IC和EDA）上，但是最近將重點轉(zhuǎn)向了光子學，因此我對2020年的預測主要集中在這一領(lǐng)域。從歷史上看，光子學一直是砷化鎵技術(shù)。過去，現(xiàn)在和將來將永遠是未來的技術(shù)。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(lǐng)域的終結(jié)或放慢，光子學將自成一體，進入其發(fā)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(shù)生態(tài)系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色，但尚未實現(xiàn)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(lǐng)域的終結(jié)或放緩，光子學將確立自己的地位，進入發(fā)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(fā)性的增長，而且在連續(xù)的周期中，這種現(xiàn)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(xiàn)象）。雖然光子學正以驚人的速度在我們的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色，但預計的爆炸性增長還沒有發(fā)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(shù)。它并不是每兩年就減半，因此摩爾定律所驅(qū)動的電子學領(lǐng)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(jié)之時，就會有新的辦法出現(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(jīng)發(fā)展成為今天復雜的、運轉(zhuǎn)良好的設計和制造生態(tài)系統(tǒng)，但這種發(fā)展還沒有發(fā)生在光子學上。今天的光子學生態(tài)系統(tǒng)仍然與20世紀80年代早期的電子生態(tài)系統(tǒng)最為相似。

2019年，更多的大公司收購了主要的光電子供應商，比如思科收購了Luxtera，現(xiàn)在又收購了Acacia Communications， II-VI收購了全球領(lǐng)先的光通訊產(chǎn)品供應商Finisar，博通從富士康收購了它們的光收發(fā)設備資產(chǎn)。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(lǐng)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(nèi)，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(shù)千米的遠距離通信?，F(xiàn)在，光子學已經(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(jīng)從在一公里距離的主導地位，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）將會在市場上變得更加普遍，從而使光子學在毫米距離內(nèi)變得有意義。目前正在進行將包括激光器在內(nèi)的光子學與電子芯片集成的工作，將光子學的相關(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，光子學在光纖任一端所需的收發(fā)器中變得越來越有吸引力。100G的擴展工作已經(jīng)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(chǎn)品可以100G的速度繼續(xù)良好運行，但光子已經(jīng)具有了競爭力，并且市場上有許多100G光子收發(fā)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(chǎn)品將失去對收發(fā)器市場的更多控制，而光子學將開始從相關(guān)性向普及性發(fā)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(shù)將占主導地位，將幾乎找不到電子收發(fā)器。

FANG（Facebook，Amazon / Apple，Netflix，Google）的光子學設計團隊將專注于根據(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)中心的主導地位。運營著龐大的數(shù)據(jù)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(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，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大型商業(yè)市場的能力，而且它們還沒有機會發(fā)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(lǐng)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(jīng)進入或正在考慮進入光子業(yè)務。這些工廠將利用其生產(chǎn)知識，經(jīng)驗和技能來構(gòu)建成熟的生態(tài)系統(tǒng)，從而加快其商業(yè)化進程。

在過去的幾年中，TowerJazz和GlobalFoundries等領(lǐng)先的半導體代工廠開始為光子學業(yè)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(yè)務。這些代工廠的新進加入將加快硅光子學的商業(yè)化應用。光子學為半導體代工廠提供的一個吸引人的優(yōu)勢是不需要尖端技術(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(fā)套件（PDK）的出現(xiàn)。第一個光子PDK大約在兩年前就出現(xiàn)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(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計自動化（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，并推動現(xiàn)有PDK的發(fā)展。隨著更多光子IC的制造和測試，越來越多的數(shù)據(jù)可用于統(tǒng)計分析。2020年將出現(xiàn)基于統(tǒng)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(tài)分析。這將導致更穩(wěn)健的設計，新的重點放在可制造性上，這是光子學商業(yè)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(lǐng)先的PDA公司結(jié)成關(guān)鍵聯(lián)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(yè)界領(lǐng)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(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，使整個設計流程能夠通過Virtuoso進行驅(qū)動。Synopsys則采取了更多的獨立戰(zhàn)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(xù)的，因為它將阻礙對PDA的所需投資以及PDA公司在新的EPDA環(huán)境中競爭的能力。盡管更改不會突然發(fā)生，但它將是一致的。

去年出現(xiàn)了集成的電子-光子設計自動化（EPDA）流程，到2020年，隨著增加的統(tǒng)計和制造設計（DFM）功能，它們將變得更加復雜。統(tǒng)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(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(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(lǐng)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(lǐng)域，例如整個PIC設計。在起步階段，PIP業(yè)務可能會與定制設計服務保持業(yè)務相似性。

光子學設計方法學的突破將提供更高質(zhì)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(chǎn)品和更快的發(fā)展。

我們已經(jīng)看到來自斯坦福大學和Lumerical與開源社區(qū)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(zhì)因數(shù)，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(fā)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(shù)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(fā)器：2020年將繼續(xù)光子學在數(shù)據(jù)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(wǎng)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(qū)動的激光雷達設計的引入。激光雷達是自主車輛的關(guān)鍵技術(shù)，大量初創(chuàng)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(shù)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(lǐng)先的LiDAR公司設計。

5G：到2020年，我們將切實看到5G的構(gòu)建。這將推動光子芯片的量產(chǎn)，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(shù)。隨著5G毫米波的部署，5G中將出現(xiàn)曲棍球拐點。不過這種更廣泛的5G建設不會在2020年真正發(fā)生。

傳感器：也許有點乏味，但這是光子學正穩(wěn)步發(fā)展的應用領(lǐng)域，這種進步將持續(xù)到2020年。醫(yī)學是一個特別有趣的領(lǐng)域為光電傳感器具有很大的機會。醫(yī)療領(lǐng)域的進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)域不會出現(xiàn)突破。

AR/VR：預測我們的技術(shù)未來的最簡單方法是觀看《星際迷航》。星際迷航的所有技術(shù)最終都會實現(xiàn)。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(fā)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(jié)

未來的技術(shù)光子學將在2020年得到穩(wěn)步的發(fā)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(shù)領(lǐng)域的聰明才智的耗盡，以及光子學生態(tài)系統(tǒng)的進化，將進一步束縛住電子學增長的腳步。隨著商業(yè)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(yè)化的一年。