即使是不熟悉航空航天業(yè)的人，也能一眼看出，一架30年前的飛機與現(xiàn)代飛機相比，技術能力不可同日而語。傳統(tǒng)飛機依靠銅線來傳輸電信號和數(shù)據(jù)。然而，隨著新芯片架構的出現(xiàn)和光纖優(yōu)勢的不斷增強，外加用碳纖維取代鋁等金屬，如今應用于航空航天業(yè)領域的芯片設計方式發(fā)生了巨大變化。

特別是，其中有兩項技術席卷了整個行業(yè)，并呈現(xiàn)出了令人印象深刻的增長和發(fā)展軌跡：3D異構集成和光電子技術。

在深入研究這些技術如何推動創(chuàng)新并實現(xiàn)從地面到太空的更先進、更高效解決方案之前，我們首先來明確一些重要的定義。

需要牢記的6個術語

裸片：由單一半導體材料（硅、鍺等）或化合物材料（磷化銦、砷化鎵、氮化鎵、碳化硅等）制成的數(shù)字、模擬或混合信號電路，用于實現(xiàn)模擬或數(shù)字處理功能，如CPU、GPU、內存、RF、光電子器件或傳感等。

III-V族材料：由元素周期表第III族（如鋁、鎵、銦）和第V族（如氮、磷、銻）中的元素制成的一類化合物半導體材料。

Multi-Die系統(tǒng)：多個異構裸片集成在一個封裝中，形成更復雜的單個系統(tǒng)。每個裸片包含不同類型的電路，不同裸片利用中介層和硅通孔（TSV）、微凸塊等技術互連或堆疊。

中介層：有源或無源電路層，方便不同間距（輸入/輸出連接之間的間距）的裸片連接到封裝基板。中介層可以利用各種材料制成，如硅、聚酰亞胺、陶瓷、玻璃和金剛石等，并且可以包括互連結構，在其中可以嵌入其他器件。

2.5D異構集成（HI）：異構裸片并排集成在單個平面（如硅中介層）上，裸片間水平互連。

3DHI：異構裸片以多個層級集成，裸片間既有垂直互連又有水平互連。

3DHI：優(yōu)勢和挑戰(zhàn)

航空航天領域在執(zhí)行自動化和認知處理時，往往需要高計算密度，并且通常是需要在小尺寸設備中進行處理。例如，就高性能計算（HPC）設計而言，單片SoC不再能夠提供開發(fā)者所尋求的可擴展性和良率。由于系統(tǒng)性能的所有方面幾乎都受到功耗和電氣輸入/輸出（I/O）的限制，因此減小尺寸和重量成了開發(fā)者的關鍵目標。

通過垂直或水平集成不同類型的芯片，3DHI可以將大型系統(tǒng)縮小并放入小型封裝中，實現(xiàn)更好的計算性能和組件SWaP（尺寸、重量和功耗），從而解決空間受限平臺的一大問題。更小的芯片往往會產生更好的效果，并且可以在不同應用中復用，創(chuàng)造新的設計可能性。此外，由于這些芯片彼此靠近，3D封裝可實現(xiàn)高帶寬、超短延遲和令人難以置信的低功耗比特傳輸，相比傳統(tǒng)2D設計優(yōu)勢顯著。

提高集成密度非常有利于實現(xiàn)更強大、更便攜的系統(tǒng)，但它也帶來了嚴峻的多物理場挑戰(zhàn)。正如摩爾定律所展示的那樣，芯片上元件的幾何尺寸不可能無限縮小，芯片上可集成的晶體管數(shù)量遲早會達到極限。雖然目前尚未達到這個階段，但技術微型化每進一步，需要的時間只會越來越長，成本也隨之越來越高。

用于苛刻環(huán)境的3DHI在設計和制造上較為復雜，也要求封裝技術、互連解決方案和熱管理進一步發(fā)展。這使得開發(fā)者的任務更加艱巨，要確保集成的組件在各種外部環(huán)境下可靠高效運行，包括需要考慮飛機設計保證（DO-254/DO-178），并測試是否符合嚴格航空航天標準（MIL-STD-883）。

與從PCB階段開始的傳統(tǒng)EDA解決方案不同，新思科技工具的獨特之處在于，它可以幫助開發(fā)者將裸片和封裝一同設計，另外還能進行系統(tǒng)簽核分析。最后，對于數(shù)字和模擬處理、化合物半導體材料以及存儲、內存和光電子技術進步等方面的額外復雜性，為了摸清錯綜復雜的化合物半導體集成細節(jié)，并利用Multi-Die系統(tǒng)設計的完整工具流來支持研究，材料和工藝工程解決方案在其中發(fā)揮著重要作用。

光電子技術和光纖同時興起

有一項技術與先進的Multi-Die系統(tǒng)架構形成互補，那就是用光來傳輸數(shù)據(jù)和執(zhí)行原本由電子完成的功能。光電子技術的出現(xiàn)徹底改變了航空航天系統(tǒng)的通信和傳感能力?，F(xiàn)代商用飛機平均有70至300英里長的銅纜，其重量介于1,750磅和7,000磅之間。傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的急劇增長，加上對超高分辨率航空成像、實時仿真和安全通信的需求，使得基于RF和銅纜的基礎設施的帶寬裕量不再夠用。

于是，光纖線纜進入了人們的視野。這種線纜由纖細的玻璃或塑料絲制成，利用光脈沖來傳輸信號。光粒子（光子）的傳播速度比電子快得多，因而延遲時間更短，消耗的能量更少，并且不產生熱量。此外，光纖的數(shù)據(jù)承載能力（即帶寬）比銅纜大得多。盡管光纖無法完全取代所有銅纜，但用光纖和光電子器件替代銅纜可以顯著減小系統(tǒng)重量和尺寸，同時提高散熱、能源和頻譜效率。

具體來說，單模光纖正在迅速取代銅纜，以實現(xiàn)更小的尺寸但更強的防破壞功能和在不受監(jiān)管的光譜中工作的能力。這使得飛機組件和系統(tǒng)之間的通信更高效，同時也意味著，客戶在部署新系統(tǒng)時無需擔心頻譜干擾或額外的許可要求。

下圖并排比較了光纖和銅纜的多個因素：顯而易見，光纖比銅纜更具吸引力。

大規(guī)模集成硅光電子器件的前景與阻礙

航空航天領域的器件通常會在有限的物理空間內運行，并且有嚴格的重量限制。為了讓光源更接近系統(tǒng)，并將光電子技術與電子技術集成，開發(fā)者便可克服現(xiàn)有的高速（比如每I/O數(shù)十Gbps）I/O和功耗限制，使速度提高到每I/O數(shù)十Tbps，同時實現(xiàn)對散熱、電能和成本的有效管理。

但另一方面，管理任務關鍵型系統(tǒng)的SWaP要求可能很費時間和精力，究其緣由，可能是因為以RF為主的生態(tài)系統(tǒng)非常盛行、許多光電子器件在承受壓力/應變時特性會發(fā)生變化，或是光電子系統(tǒng)的早期采用存在進入壁壘。

新思科技提供廣泛的光電子設計產品組合，分為如下功能組：

光電子器件設計：新思科技RSoft光電子器件工具提供有源和無源波導的仿真。

光電子IC設計：新思科技OptoCompiler是電子和光電子IC的統(tǒng)一設計平臺。

光電子系統(tǒng)設計：新思科技OptSim是一款屢獲殊榮的光纖和自由空間光學系統(tǒng)與電路仿真工具，用于在信號傳播級別設計光通信系統(tǒng)并進行仿真。

共封裝光學器件：新思科技3DIC Compiler是針對集成光電子技術的3DHI和Multi-Die系統(tǒng)的先進解決方案。

在意識到硅光電子市場正在快速增長之后，新思科技去年宣布與瞻博網(wǎng)絡公司成立合資企業(yè)，并推出OpenLight，在業(yè)界率先提供集成激光器的開放式硅光電子平臺。新思科技相信這項投資將減少現(xiàn)有的系統(tǒng)建設障礙，并提升集成光電子器件（包括集成光源的系統(tǒng)）的接受度。

Multi-Die系統(tǒng)促進光電子和電子技術的進一步集成

日益受到行業(yè)組織的關注

工藝節(jié)點每前進一步，芯片的復雜性和未知因素就會大幅增加，因此無論應用在何處，創(chuàng)建安全可靠的解決方案都至關重要。

憑借Multi-Die系統(tǒng)集成光電子技術、功耗和熱分析的能力，新思科技的各種工具（如新思科技3DIC Compiler）整合了眾多變革性的Multi-Die設計功能，提供一個完整的架構到簽核平臺。新思科技ZeBu硬件加速系統(tǒng)等解決方案可以處理基于實數(shù)的混合信號設計，擴展3D系統(tǒng)的容量，并利用芯片生命周期管理技術進行片內環(huán)境監(jiān)控和測試。以及新思科技完整的UCIe IP解決方案可在Multi-Die系統(tǒng)中的異構裸片之間提供可靠、低延遲、安全的連接。

要將光電子技術與現(xiàn)有信號處理鏈成功集成，必須將各種工具和功能結合起來，通過已驗證的數(shù)據(jù)交換平臺緊密協(xié)作。未來，Multi-Die設計和硅光電子技術預計將顯著優(yōu)于傳統(tǒng)電氣系統(tǒng)。新思科技也將持續(xù)投資這些前沿技術，致力于在航空航天芯片創(chuàng)新領域發(fā)揮重要作用。

審核編輯：湯梓紅