電晶體微縮一直在持續發展，但隨著製程節點不斷縮小，寄生效應增加、更高的時脈速度以及延遲上升，導致資料傳輸的能耗和延遲大幅提升。對於需要在各種系統之間傳輸大量資料的應用而言，這些成本是無法接受的。
對於高效能運算、快速通信以及大型資料中心的需求持續增長，推動了在晶片、插槽、電路板、系統及機架之間的通訊速率不斷提升。然而，隨著摩爾定律逐漸逼近極限，材料科學、晶片設計與光子技術的進步正在為高速、低功耗通訊開闢新道路。半導體與光子技術的融合帶來了典範轉移，使高頻寬、低能耗的裝置能夠無縫整合電子與光子元件。
本文將探討半導體與光子技術結合的機會與挑戰，並強調其在電信、資料中心、生物光子學和環境感測等關鍵產業中的應用。此外，還將介紹Cadence的電子/光子設計自動化(EPDA)工具如何為此轉變奠定基礎，開創高效光子積體電路(IC)設計的新道路。
理解光子技術
簡單來說，光子技術是以光子(Photon)取代電子(Electron)。它涵蓋了光子的產生、操控和偵測。在資料傳輸方面，光子技術能夠帶來數量級的速度提升，並且功耗更低，此外，它還具備在多個領域中的超靈敏感測能力。無論是在電信、製造還是醫療保健等產業，光子技術已經發揮了關鍵作用，且其應用範圍仍在不斷擴展。
光子技術與半導體的融合，進一步增強了半導體的性能。利用光子的高速與高精度特性，使電子設備變得更快速、更高效率。此外，矽光子(SiliconPhotonics)技術也被探索為光學互連的解決方案，用於取代資料中心和高效能運算系統中的傳統銅互連技術。
光子技術與半導體的融合
光子技術與半導體技術的融合，對於高效能連接的革新十分關鍵。其核心–矽光子技術，本質是透過由半導體材料製成的微小結構來控制光。這使得矽光子元件比傳統電子元件更快速、更可靠且能耗更低。
這些半導體技術的進步正在將光子技術引入晶片層級，實現光子積體電路(Photonic Integrated Circuits, PIC)。然而，與電子IC設計相比，PIC設計面臨諸多挑戰，例如訊號漂移，以及波導與互連等結構設計層面的問題。
利用Cadence加速PIC設計
PIC設計涉及獨特的布局(Layout)、錯誤檢查及電路建模等挑戰。雖然電子設計工程師擅長使用傳統的電子設計自動化(EDA)流程，但標準EDA流程無法可靠或有效地整合光子電路與電子元件。
在PIC布局裡，通常是以曲線或多邊形結構為基礎，因此這些布局往往需要手動繪製，不僅耗時且勞力密集。此外，現有的製程設計套件(PDK)尚不成熟，僅提供有限的GDS布局單元、規格與製程規則。錯誤檢查則是更艱鉅的挑戰，因為電路布局驗證(LVS)和設計規則檢查(DRC)工具仍然處於原始階段；而電路建模則因缺乏廣泛接受的SPICE等效工具，變得更加複雜。
為解決P I C 設計挑戰，益華電腦(Cadence)與業界領先的生態系統合作夥伴及晶圓代工廠攜手合作，開發了一個整合式電子/ 光子設計自動化(EPDA，Electronic/Photonic DesignAutomation)環境。
Cadence EPDA設計環境
Cadence EPDA設計環境基於業界標準的Cadence Virtuoso Studio客製化IC設計平台，支援單片整合(Monolithic)與混合式(Hybrid)設計方法，例如3DIC堆疊技術(將電子晶片置於光子晶片之上)。完整的EPDA流程涵蓋電路圖擷取(Schematic Capture)、電路模擬(CircuitSimulation)，以及由電路圖驅動的布局實作(Schematic-Driven LayoutImplementation)，並支援複雜光子SKILL PCells及先進的光子布局生成器(圖1)。此外，該環境還支援電子與光子元件的協同設計，以實現高效的混合系統開發。
