光IO及光电融合芯片设计的几点展望
(1)光电融合芯片设计是光IO技术的基础，需前瞻布局必经之路
互连技术是人工智能基础设施的重要组成部分。目前，大模型规模的增长速度远超单卡算力的提升速度，通过多卡互连已成为满足快速增长算力需求的主流技术路径。然而，传统电学互连已无法满足AI互连在带宽、速率及能耗等方面的需求，向光IO技术演进成为AI互连的必然发展趋势。英伟达、AMD、英特尔等人工智能巨头均已在该领域投入重金进行研究。就集成电路而言，其设计技术是GPU、CPU等系统芯片的重要基础。参照集成电路发展经验，光电融合芯片设计也将成为发展光IO的重要基础和必经之路。我们亟需前瞻性地布局这条必经之路，唯有如此，才能在该领域实现技术的率先突破，从而占领未来发展的制高点。
(2)光电融合芯片设计将发展成类似集成电路设计的独立研究领域
在集成电路设计发展成熟之前，不存在与之类似的大规模回路设计技术及设计自动化工具。集成电路设计是一个需求驱动的长期迭代创新发展过程，在此之前未有其他类似的回路设计经验可以借鉴，初期研究人员的研究基础大多是器件和物理。随着设计复杂度的不断提升及行业的快速发展，集成电路设计才逐步建立其研究基础，并发展成为一个独立的专门研究领域。参照集成电路发展经验，光电融合芯片设计也将类似地发展成一个独立的研究领域。集成电路设计在发展过程中形成了功率模拟、高速射频等不同的专业分工，光电融合芯片设计预计也会发展出模拟功率、高速射频等不同的子方向。需要注意的是，子方向之间并非完全独立，也存在某些交集。传统模拟功率、高速射频等类型的集成电路是模拟功率、高速射频等不同类型光电融合芯片设计的基础。我们可以从模拟功率、高速射频等不同集成电路细分领域出发，开展模拟功率、高速射频等光电融合芯片设计方面的研究。就集成电路而言，高速射频设计通常依赖于模拟电路及电源管理的性能，而模拟及电源管理对高速射频则基本没有依赖，是相对更加独立的研究领域。单个微电子器件通常不需要进行单独的稳定性控制，而在光电融合领域，高速射频光电融合芯片的光子器件(例如微环谐振器、马赫增德尔干涉仪等)通常存在光参数稳定性问题，对模拟有一定的依赖性。此外，硅基光子器件大多使用片上热调器进行调控，需要与之配套的功率管理电路。光参数稳定性及其功率管理是光电融合芯片研究领域的新问题。就光电融合而言，模拟功率研究相对高速射频研究是一个更加独立的研究领域，至少具备和高速射频同等的重要性，如果不是更加重要的话。目前大部分光电融合芯片设计研究人员均是基于高速射频研究基础开展相关研究工作的，而更加独立且同等重要的模拟功率光电融合领域仅有零星工作被发表，是尚未开发的重要研究领域。
复杂系统最终将发展成为层次化的系统，新的复杂系统将经历从没有层级结构到形成新层级结构的发展历程。层级结构的形成过程是一个融合的发展过程。各层之间经过融合形成新的界面，使得同一层级内部充分融合，并实现同一层级的独立设计，各层级间通过接口方式进行信息交流，形成新的分层交互模式。参照以上规律，光子和电子综合系统也必然经历从分离到融合再到形成独立分层的发展历程，并有望拓展到更大参数空间的多元异质融合芯片领域。在分离到融合的发展初期，光器件和光电融合芯片设计会呈现紧密耦合的关系，此时尚未形成成熟的光子器件模型，器件制备平台也不一定完全稳定，光器件和光电融合芯片设计并未达到像集成电路一样的独立程度。随着器件制备平台和光子器件模型逐步走向稳定和成熟，光电融合芯片设计与器件制备的耦合程度逐步变。;当光子器件模型变得足够成熟和精准后，器件和回路两者将逐步解耦合，面向光电融合的器件制备和光电融合芯片设计最终将发展成类似集成电路器件制备与芯片设计的独立层次。根据以上分析，我们总结光电融合芯片设计将经历以下五个发展阶段。
a)第一阶段：集成光子和光电融合芯片设计紧密耦合，同时集成光子器件逐步标准化。
b)第二阶段：光子器件走向成熟，并开发出成熟的集成光子器件紧凑模型，实现和微电子器件的联合仿真。通过光子器件紧凑模型与光电融合芯片设计的反复迭代，光子器件紧凑模型逐步走向成熟，初步实现光电融合芯片设计与集成光子器件的解耦。
c)第三阶段：形成类似集成电路设计的光电融合芯片设计独立领域，模拟光电融合芯片实现大规模实用化。
d)第四阶段：模拟光电融合芯片的发展为射频光电融合芯片等其他光电融合芯片设计细分领域奠定基础，同时其他类型光电融合芯片设计的发展进一步促进模拟光电融合芯片走向成熟，全面推动光电融合芯片走向成熟。
e)第五阶段：借鉴光电融合芯片发展经验，开拓机光电、量光电、声光电、磁光电等多元异质融合芯片设计新领域，发展多元异质融合集成微系统。
(3)借鉴集成电路设计经验可以加快光电融合芯片设计的发展进程
虽然集成光子和集成电路设计均是光电融合芯片设计的基础，但是国际上相关研究组均是基于集成电路基础开展光电融合芯片设计研究的。原因在于，集成光子和光电融合芯片设计在内容、方法、理论基础等诸多方面均存在很大差别，两者之间不存在继承发展关系，而集成电路设计的研究基础和发展经验则能够很好地被光电融合芯片设计所继承发展。集成光子主要关注光子器件相关内容，基于半导体物理基础，采用物理设计工具完成器件设计，并通过半导体制备工艺进行加工，最终得到满足一定性能指标的物理实体。虽然集成光子是光电融合芯片设计的物质基础，但是其研究经验无法直接指导光电融合芯片设计研究。如果从集成光子基础发展光电融合芯片设计，则需要重新造轮子打造集成电路设计方法及建模与仿真基础设施。光电融合芯片设计和集成电路设计两者在研究目标、理论基础、设计方法及设计工具等方面存在很多相似性，光电融合芯片设计不仅可以继承集成电路设计方法，也可以借鉴集成电路的紧凑建模方法及设计自动化工具。集成电路设计和光电融合芯片设计均研究通过器件互连来实现特定功能，也都采用辅助设计软件来完成规模化设计。两者的主要区别在于，集成电路仅仅涉及电子器件的互连，而光电融合芯片则涉及光子和电子两种不同器件的互连。集成电路设计通常只需要知道器件的紧凑仿真模型，再通过行为级模型完成器件之间的互连，而不用过度关心器件内部机理和实现过程。类似集成电路设计，未来光电融合芯片设计只需要知道光子器件和电子器件的紧凑仿真模型，而无需过多关心其内部机理和实现过程。光子器件紧凑模型、工艺厂PDK以及光电协同仿真等在发展初期并不完善，需要设计人员具备一定的集成光子基础甚至一定的集成光子设计能力。当光电融合芯片设计逐步形成明确成熟的分工，其整个设计流程会变得和集成电路设计非常相似，设计门槛也会大幅降低，不再需要设计人员具备太多底层光器件知识。但是在尚未有成熟的光子器件紧凑仿真模型之前，掌握相关集成光子知识仍然是必要的。
光电信息产业是有条件率先实现突破的高技术产业
稿件来源：华科光电融合芯片实验室|www.ephic.net
