上海2014年7月7日電 /美通社/ -- 電子設計自動化技術(shu)的(de)(de)領導(dao)廠(chang)商 Mentor Graphics近(jin)日發布一份題為《硅光(guang)子帶來新的(de)(de)設計挑戰》的(de)(de)研究報告。中文版的(de)(de)報告全文可(ke)在 Mentor Graphics 的(de)(de)官方(fang)網(wang)站閱(yue)讀和(he)下載：。

作者：John Ferguson 和 Fedor Pikus, Mentor Graphics公(gong)司

新興硅(gui)光(guang)子 (SiP) 技(ji)術(shu)(shu)前景廣(guang)闊，有望帶來顯(xian)著(zhu)的性能提升和可控制的生產(chan)成本。光(guang)信號(hao)傳播速(su)度較快(kuai)，而(er)且沒有物理寄(ji)生造成的降速(su)影響，這意味著(zhu)可在(zai)極低(di)的功率(lv)下實現(xian)(xian)非常快(kuai)的處理速(su)度。此外，在(zai)成熟(shu)的硅(gui)工藝(yi)（例如(ru)體效應(ying)互補(bu)金屬(shu)氧化(hua)物半導體）中(zhong)采用光(guang)子技(ji)術(shu)(shu)也能帶來相對較低(di)的生產(chan)成本。但(dan)是，隨著(zhu)硅(gui)光(guang)子設(she)計(ji)從(cong)研究(jiu)階(jie)段進入商業生產(chan)，光(guang)子設(she)計(ji)人員在(zai)完(wan)全實現(xian)(xian)這些好處之前必(bi)須掌(zhang)握一些新的設(she)計(ji)規則。本文討論了(le)一些在(zai)使用成熟(shu)的集成電路 (IC) 工藝(yi)生產(chan)時確保硅(gui)光(guang)子電路表現(xian)(xian)達到(dao)預期(qi)的較佳方法(fa)。

傳統的設計和驗證流程

在傳統(tong)的(de)(de)集成(cheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)工(gong)(gong)藝(yi)中，設計(ji)(ji)(ji)人(ren)員通(tong)常會使用原理(li)(li)(li)圖(tu)捕獲工(gong)(gong)具，按照(zhao)預(yu)(yu)想的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)氣(qi)性(xing)能(neng)創(chuang)建(jian)一(yi)(yi)個(ge)設計(ji)(ji)(ji)。接著，他們使用代(dai)(dai)工(gong)(gong)廠SPICE模型來仿真(zhen)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)性(xing)能(neng)，確保(bao)達到(dao)(dao)(dao)預(yu)(yu)想的(de)(de)功能(neng)。最后(hou)，他們會創(chuang)建(jian)一(yi)(yi)個(ge)版(ban)(ban)圖(tu)來實(shi)現原理(li)(li)(li)圖(tu)設計(ji)(ji)(ji)。這(zhe)個(ge)版(ban)(ban)圖(tu)必須(xu)符(fu)合工(gong)(gong)藝(yi)設計(ji)(ji)(ji)規則(ze)，這(zhe)可以(yi)通(tong)過將設計(ji)(ji)(ji)版(ban)(ban)圖(tu)（通(tong)常采用GDSII等格式）傳遞至設計(ji)(ji)(ji)規則(ze)檢查(DRC)工(gong)(gong)具進行(xing)確認。DRC確保(bao)設計(ji)(ji)(ji)方(fang)案可以(yi)生產出(chu)來，但不能(neng)確保(bao)硅(gui)的(de)(de)實(shi)際表(biao)現符(fu)合設計(ji)(ji)(ji)意圖(tu)和(he)仿真(zhen)結果。要想做到(dao)(dao)(dao)這(zhe)一(yi)(yi)點(dian)，可使用版(ban)(ban)圖(tu)與原理(li)(li)(li)圖(tu) (LVS) 對比流(liu)程來驗(yan)證物(wu)理(li)(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)設計(ji)(ji)(ji)。LVS流(liu)程可閱讀物(wu)理(li)(li)(li)版(ban)(ban)圖(tu)，提(ti)取出(chu)一(yi)(yi)個(ge)以(yi)SPICE電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)表(biao)示法來描繪電(dian)(dian)(dian)(dian)氣(qi)結構的(de)(de)網表(biao)。然后(hou)將這(zhe)個(ge)提(ti)取出(chu)的(de)(de)網表(biao)與原始(shi)的(de)(de)網表(biao)進行(xing)比較。如果二者相匹配，那么設計(ji)(ji)(ji)人(ren)員便可確信版(ban)(ban)圖(tu)既能(neng)生產出(chu)來，又(you)能(neng)達到(dao)(dao)(dao)預(yu)(yu)期性(xing)能(neng)。代(dai)(dai)工(gong)(gong)廠為(wei)設計(ji)(ji)(ji)人(ren)員提(ti)供專(zhuan)為(wei)某個(ge)特(te)定節點(dian)和(he)工(gong)(gong)藝(yi)服務的(de)(de)DRC平(ping)臺、SPICE設備模型和(he)LVS平(ping)臺。

硅光子的挑戰

然而，這(zhe)個工藝流程(cheng)并不(bu)適(shi)用于(yu)硅(gui)光子。雖然SiP設(she)計(ji)(ji)與(yu)定制模擬集(ji)成(cheng)電路(lu)設(she)計(ji)(ji)有很(hen)(hen)多(duo)相(xiang)似之處，但挑戰存(cun)在于(yu)細(xi)節(jie)方面。雖然 SiP 設(she)計(ji)(ji)也在很(hen)(hen)大程(cheng)度上依賴早期設(she)計(ji)(ji)仿(fang)真(zhen)，但SPICE不(bu)具備模擬光學器(qi)件所需的(de)尖端技術。光子設(she)計(ji)(ji)人員必(bi)須使(shi)用其它建模和(he)仿(fang)真(zhen)工具，與(yu)SPICE不(bu)同，SiP行業標(biao)準(zhun)尚未確立，這(zhe)些工具未必(bi)能夠與(yu)集(ji)成(cheng)電路(lu)領(ling)域(yu)使(shi)用的(de)工具進(jin)行互操作。較值得一(yi)提(ti)的(de)是，這(zhe)些仿(fang)真(zhen)器(qi)沒有使(shi)用標(biao)準(zhun)SPICE 網(wang)表的(de)概念，因此，傳(chuan)統(tong)LVS工具無(wu)法對(dui)比這(zhe)些仿(fang)真(zhen)器(qi)提(ti)取出的(de)網(wang)表。

光(guang)子(zi)(zi)電路LVS的(de)(de)另一個復(fu)雜(za)之處在(zai)于器(qi)(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)特(te)殊性(xing)(xing)。LVS流程通常歷經三個階段：版圖中的(de)(de)器(qi)(qi)(qi)件(jian)識別、器(qi)(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)特(te)性(xing)(xing)鑒(jian)定(ding)以及(ji)器(qi)(qi)(qi)件(jian)連接和參數與原理圖的(de)(de)對比。第一步(bu)的(de)(de)挑(tiao)戰相對較小，因為(wei)光(guang)子(zi)(zi)器(qi)(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)外(wai)形(xing)(xing)很容易辨(bian)認。但是，外(wai)形(xing)(xing)的(de)(de)復(fu)雜(za)性(xing)(xing)使器(qi)(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)特(te)性(xing)(xing)鑒(jian)定(ding)變得(de)十分(fen)困難。光(guang)子(zi)(zi)器(qi)(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)取決(jue)于器(qi)(qi)(qi)件(jian)復(fu)雜(za)外(wai)形(xing)(xing)的(de)(de)很多細(xi)節以及(ji)周邊布(bu)局。

圖1顯示了一(yi)個(ge)簡單(dan)的環形諧振器(qi)(qi)器(qi)(qi)件。共有四個(ge)管(guan)腳：In1、In2、Out1 和 Out2。有六個(ge)參數（均(jun)可以(yi)獨立地變化(hua)）對(dui)該器(qi)(qi)件的性能至關重(zhong)要：Rin、Rout、Gap_length1、Gap_width1、Gap_length2 和 Gap_width2。如(ru)果有任何參數與目標值不同，器(qi)(qi)件將無法達到預期性能。鑒于Rin和Rout的曲線特性，很難(nan)以(yi)GDSII直線格(ge)式（使用一(yi)系(xi)列分段線性直線）來(lai)準(zhun)確(que)描繪設計(ji)。因(yin)此會出現半徑不準(zhun)確(que)的嚴(yan)重(zhong)情況(kuang)，從而(er)造成(cheng)功能問(wen)題。

在LVS中，傳統的器(qi)(qi)件(jian)(jian)特(te)性(xing)鑒定方(fang)法是收(shou)集器(qi)(qi)件(jian)(jian)周圍可能影(ying)響其性(xing)能的所有布(bu)局對象(xiang)，通(tong)過測量(liang)來描述這(zhe)(zhe)些對象(xiang)和器(qi)(qi)件(jian)(jian)本身之(zhi)(zhi)間的相互作(zuo)用(yong)，例如(ru)距(ju)離(li)和投影(ying)長度(du)。這(zhe)(zhe)些測量(liang)結果可以按(an)照第一(yi)原則理論或硅測量(liang)經驗曲線代入封閉公式。但(dan)是，當器(qi)(qi)件(jian)(jian)受(shou)很多特(te)征(zheng)影(ying)響或者(zhe)一(yi)些簡單的測量(liang)無法足(zu)夠(gou)準確(que)地捕捉物體之(zhi)(zhi)間的相互作(zuo)用(yong)（光子器(qi)(qi)件(jian)(jian)就是這(zhe)(zhe)樣）時(shi)，這(zhe)(zhe)種方(fang)法便(bian)不再奏效。這(zhe)(zhe)種情(qing)況與(yu)模擬電(dian)路設計人員所面臨的問題很像，除了器(qi)(qi)件(jian)(jian)本身形成的少數(shu)對象(xiang)，器(qi)(qi)件(jian)(jian)性(xing)能有時(shi)還取(qu)決于數(shu)千個布(bu)局對象(xiang)共同的電(dian)容(rong)和電(dian)感。

設計流程調整

我們提議(yi)放棄基于精確測(ce)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)鑒定(ding)，代(dai)之以一(yi)系(xi)列周(zhou)知(zhi)的(de)(de)(de)模(mo)(mo)(mo)式(shi)來識別(bie)器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)，包括(kuo)主要的(de)(de)(de)器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)特(te)(te)(te)征和周(zhou)邊一(yi)定(ding)范圍內的(de)(de)(de)版(ban)圖形狀。這(zhe)(zhe)些器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)可以使(shi)用硅測(ce)量(liang)(liang)或現有的(de)(de)(de)硅光(guang)子仿真器(qi)(qi)(qi)(qi)進行預(yu)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)化（與面向集成電路(lu)設(she)(she)計的(de)(de)(de)技(ji)術計算機輔助(zhu)設(she)(she)計(TCAD)器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)仿真類似）。如有必要，這(zhe)(zhe)種模(mo)(mo)(mo)式(shi)還(huan)可以引入少量(liang)(liang)的(de)(de)(de)變異度，但(dan)重要的(de)(de)(de)是，版(ban)圖中的(de)(de)(de)器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)必須與預(yu)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)化模(mo)(mo)(mo)式(shi)之一(yi)完全匹配。當設(she)(she)計人員(yuan)在版(ban)圖中實施(shi)這(zhe)(zhe)些預(yu)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)化器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)時，LVS工具可以抽取(qu)器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)、測(ce)量(liang)(liang)其重要參(can)數(shu)并且將他們與預(yu)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)化模(mo)(mo)(mo)式(shi)相比較。模(mo)(mo)(mo)式(shi)庫里未(wei)發(fa)現的(de)(de)(de)任何器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)會被標記(ji)成未(wei)知(zhi)器(qi)(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)(jian)，并被視作(zuo)版(ban)圖錯誤處理。

光(guang)子(zi)電路(lu)(lu)LVS驗證的(de)(de)(de)(de)(de)另一(yi)(yi)(yi)個挑(tiao)戰源于(yu)(yu)(yu)電路(lu)(lu)比較階段。大多(duo)數(shu)LVS工具(ju)的(de)(de)(de)(de)(de)開(kai)發都基(ji)于(yu)(yu)(yu)這(zhe)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)假(jia)設：對(dui)版圖的(de)(de)(de)(de)(de)分析(xi)可(ke)以依賴常見(jian)數(shu)據庫中(zhong)描述的(de)(de)(de)(de)(de)單個CMOS傳輸(shu)(shu)門的(de)(de)(de)(de)(de)邏輯屬性。光(guang)子(zi)電路(lu)(lu)的(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)本元素如諧振器(qi)(qi)(qi)、調(diao)制(zhi)器(qi)(qi)(qi)和多(duo)路(lu)(lu)器(qi)(qi)(qi)存在(zai)很大區(qu)別。在(zai)硅光(guang)子(zi)更加成熟之前(qian)，普(pu)通的(de)(de)(de)(de)(de)LVS工具(ju)不可(ke)能像支(zhi)持MOSFET和CMOS傳輸(shu)(shu)門一(yi)(yi)(yi)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)按照“原始(shi)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)”支(zhi)持所有基(ji)本的(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)。相(xiang)反，LVS工具(ju)必須支(zhi)持用戶定(ding)義器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)和電路(lu)(lu)模式。驗證器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)參(can)數(shu)還需(xu)要更大的(de)(de)(de)(de)(de)靈活性，一(yi)(yi)(yi)些參(can)數(shu)適用于(yu)(yu)(yu)整個器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)，而另一(yi)(yi)(yi)些則與(yu)特定(ding)器(qi)(qi)(qi)件(jian)(jian)引腳或多(duo)個引腳相(xiang)關（例如一(yi)(yi)(yi)個特定(ding)波導在(zai)一(yi)(yi)(yi)個多(duo)路(lu)(lu)器(qi)(qi)(qi)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)傳輸(shu)(shu)與(yu)對(dui)話）。與(yu)“標準的(de)(de)(de)(de)(de)”傳輸(shu)(shu)門不同，電路(lu)(lu)的(de)(de)(de)(de)(de)模式驅動型識別是(shi)分離具(ju)有特定(ding)功(gong)能的(de)(de)(de)(de)(de)元素所必需(xu)的(de)(de)(de)(de)(de)。

從概念(nian)上(shang)講，這(zhe)個方法與通常(chang)應用于(yu)模(mo)(mo)擬(ni)器(qi)(qi)件(jian)特性(xing)鑒定(ding)問題的(de)(de)解決方案類似(si)：這(zhe)些設(she)備的(de)(de)確(que)切性(xing)能(neng)特性(xing)十分復雜，并且通常(chang)很少為人(ren)所知(zhi)。設(she)計人(ren)員通常(chang)缺乏具(ju)有幾(ji)個著名參(can)數的(de)(de)準確(que)壓(ya)縮模(mo)(mo)型。相(xiang)(xiang)反，在(zai)一(yi)個相(xiang)(xiang)對(dui)較(jiao)(jiao)大(da)的(de)(de)版圖(tu)環境下，許(xu)多幾(ji)何形(xing)(xing)狀的(de)(de)復雜互動決定(ding)了器(qi)(qi)件(jian)性(xing)能(neng)。對(dui)于(yu)光(guang)(guang)子器(qi)(qi)件(jian)來(lai)說，情形(xing)(xing)極(ji)其(qi)類似(si)。光(guang)(guang)子器(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)性(xing)能(neng)由組成器(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)許(xu)多布局類型的(de)(de)精美細(xi)節(jie)決定(ding)。細(xi)節(jie)會受到(dao)按照GDS多邊(bian)形(xing)(xing)繪(hui)制(zhi)幾(ji)何的(de)(de)平滑(hua)曲線(xian)時的(de)(de)制(zhi)品的(de)(de)影響，然后進一(yi)步(bu)分裂成適合掩膜制(zhi)造機(ji)器(qi)(qi)的(de)(de)元素，最終被光(guang)(guang)刻生產(chan)工藝(yi)所扭曲。因此，只(zhi)通過幾(ji)個與其(qi)規(gui)模(mo)(mo)和(he)大(da)小相(xiang)(xiang)關的(de)(de)參(can)數對(dui)器(qi)(qi)件(jian)進行可(ke)靠的(de)(de)特性(xing)鑒定(ding)并不(bu)現實(shi)。LVS 工具(ju)必須(xu)將這(zhe)些器(qi)(qi)件(jian)與一(yi)個已知(zhi)的(de)(de)良好且優秀的(de)(de)配(pei)置變體(ti)庫進行比較(jiao)(jiao)。當發現匹配(pei)項(xiang)時，性(xing)能(neng)參(can)數可(ke)以(yi)直(zhi)接(jie)從庫項(xiang)目中提取。“類似(si)”但是并不(bu)完全匹配(pei)任何庫變量的(de)(de)器(qi)(qi)件(jian)應該被標(biao)記為警告信息。

總結

當LVS工具能夠(gou)發(fa)(fa)現(xian)和提(ti)取(qu)具有復雜曲(qu)線形狀(zhuang)的(de)用(yong)戶定(ding)義(yi)器(qi)(qi)件時，硅光子設計人(ren)員(yuan)可以從(cong)真正的(de)LVS驗證(zheng)中獲得(de)信(xin)心(xin)，并且(qie)提(ti)取(qu)適當的(de)物理測量器(qi)(qi)件參數(shu)，用(yong)于(yu)與(yu)一個仔(zi)細預(yu)(yu)特性化(hua)設備庫進行對(dui)比。使用(yong)這(zhe)個方法，既(ji)定(ding)的(de)器(qi)(qi)件到器(qi)(qi)件行為可以進行驗證(zheng)，確(que)(que)保不存在(zai)(zai)意外(wai)的(de)短路或開路。通過(guo)仔(zi)細驗證(zheng)如圖所示器(qi)(qi)件參數(shu)與(yu)預(yu)(yu)期的(de)預(yu)(yu)特性化(hua)性能相匹配，電路中每個器(qi)(qi)件的(de)預(yu)(yu)期性能得(de)到了進一步(bu)的(de)確(que)(que)保。也許(xu)重要的(de)是，意外(wai)的(de)設計錯誤會在(zai)(zai)結構完好(hao)的(de)設計環境中被(bei)及(ji)早發(fa)(fa)現(xian)并通知用(yong)戶，從(cong)而快速(su)簡單地(di)排除故(gu)障，節(jie)省不必要的(de)生產周期并且(qie)大(da)大(da)縮短上(shang)市時間。

作者介紹

John Ferguson 是總部位于俄勒岡州威爾森維爾的明導 Calibre DRC Applications 的營銷總監。他在1991年獲得麥吉爾大學 (McGill University) 物理學學士學位，1993年獲得馬薩諸塞大學 (University of Massachusetts) 應用物理碩士學位，2000年獲 Oregon Graduate Institute of Science and Technology 電氣工程博士學位(wei)。John 在面向前沿的集成電路生產制造的物理設計驗證領域(yu)擁有(you)豐富的工作(zuo)經驗。

Fedor Pikus 是明導 Design to Silicon 部門首席工(gong)程(cheng)(cheng)科學(xue)家。他之前的(de)職位包(bao)括(kuo)谷(gu)歌高級軟(ruan)(ruan)件(jian)工(gong)程(cheng)(cheng)師以及(ji)明導 Calibre PERC, LVS, DFM 首席軟(ruan)(ruan)件(jian)架構(gou)(gou)師。他于(yu)1998年加(jia)盟(meng)明導，從計(ji)(ji)算物理學(xue)學(xue)術研究(jiu)轉至(zhi)軟(ruan)(ruan)件(jian)行業(ye)。作為(wei)首席科學(xue)家，他的(de)職責包(bao)括(kuo)規(gui)劃 Calibre 產品(pin)(pin)的(de)長期(qi)技術方向(xiang)、指導和培養從事(shi)這些(xie)產品(pin)(pin)工(gong)作的(de)工(gong)程(cheng)(cheng)師、軟(ruan)(ruan)件(jian)設(she)計(ji)(ji)與架構(gou)(gou)以及(ji)新設(she)計(ji)(ji)和軟(ruan)(ruan)件(jian)技術的(de)研究(jiu)。Fedor 在物理、EDA、軟(ruan)(ruan)件(jian)設(she)計(ji)(ji)和 C++ 語言方面(mian)擁有(you)超過25項專利，發(fa)表過超過90篇(pian)相關論文與會議報(bao)告。