航空航天业领域的芯片设计方式

即使是不熟悉航空航天业的人，也能一眼看出，一架30年前的飞机与现代飞机相比，技术能力不可同日而语。传统飞机依靠铜线来传输电信号和数据。然而，随着新芯片架构的出现和光纤优势的不断增强，外加用碳纤维取代铝等金属，如今应用于航空航天业领域的芯片设计方式发生了巨大变化。

特别是，其中有两项技术席卷了整个行业，并呈现出了令人印象深刻的增长和发展轨迹：3D异构集成和光电子技术。

在深入研究这些技术如何推动创新并实现从地面到太空的更先进、更高效解决方案之前，我们首先来明确一些重要的定义。

需要牢记的6个术语

裸片：由单一半导体材料（硅、锗等）或化合物材料（磷化铟、砷化镓、氮化镓、碳化硅等）制成的数字、模拟或混合信号电路，用于实现模拟或数字处理功能，如CPU、GPU、内存、RF、光电子器件或传感等。

III-V族材料：由元素周期表第III族（如铝、镓、铟）和第V族（如氮、磷、锑）中的元素制成的一类化合物半导体材料。

Multi-Die系统：多个异构裸片集成在一个封装中，形成更复杂的单个系统。每个裸片包含不同类型的电路，不同裸片利用中介层和硅通孔（TSV）、微凸块等技术互连或堆叠。

中介层：有源或无源电路层，方便不同间距（输入/输出连接之间的间距）的裸片连接到封装基板。中介层可以利用各种材料制成，如硅、聚酰亚胺、陶瓷、玻璃和金刚石等，并且可以包括互连结构，在其中可以嵌入其他器件。

2.5D异构集成（HI）：异构裸片并排集成在单个平面（如硅中介层）上，裸片间水平互连。

3DHI：异构裸片以多个层级集成，裸片间既有垂直互连又有水平互连。

3DHI：优势和挑战

航空航天领域在执行自动化和认知处理时，往往需要高计算密度，并且通常是需要在小尺寸设备中进行处理。例如，就高性能计算（HPC）设计而言，单片SoC不再能够提供开发者所寻求的可扩展性和良率。由于系统性能的所有方面几乎都受到功耗和电气输入/输出（I/O）的限制，因此减小尺寸和重量成了开发者的关键目标。

通过垂直或水平集成不同类型的芯片，3DHI可以将大型系统缩小并放入小型封装中，实现更好的计算性能和组件SWaP（尺寸、重量和功耗），从而解决空间受限平台的一大问题。更小的芯片往往会产生更好的效果，并且可以在不同应用中复用，创造新的设计可能性。此外，由于这些芯片彼此靠近，3D封装可实现高带宽、超短延迟和令人难以置信的低功耗比特传输，相比传统2D设计优势显著。

提高集成密度非常有利于实现更强大、更便携的系统，但它也带来了严峻的多物理场挑战。正如摩尔定律所展示的那样，芯片上元件的几何尺寸不可能无限缩小，芯片上可集成的晶体管数量迟早会达到极限。虽然目前尚未达到这个阶段，但技术微型化每进一步，需要的时间只会越来越长，成本也随之越来越高。

用于苛刻环境的3DHI在设计和制造上较为复杂，也要求封装技术、互连解决方案和热管理进一步发展。这使得开发者的任务更加艰巨，要确保集成的组件在各种外部环境下可靠高效运行，包括需要考虑飞机设计保证（DO-254/DO-178），并测试是否符合严格航空航天标准（MIL-STD-883）。

与从PCB阶段开始的传统EDA解决方案不同，新思科技工具的独特之处在于，它可以帮助开发者将裸片和封装一同设计，另外还能进行系统签核分析。最后，对于数字和模拟处理、化合物半导体材料以及存储、内存和光电子技术进步等方面的额外复杂性，为了摸清错综复杂的化合物半导体集成细节，并利用Multi-Die系统设计的完整工具流来支持研究，材料和工艺工程解决方案在其中发挥着重要作用。

光电子技术和光纤同时兴起

有一项技术与先进的Multi-Die系统架构形成互补，那就是用光来传输数据和执行原本由电子完成的功能。光电子技术的出现彻底改变了航空航天系统的通信和传感能力。现代商用飞机平均有70至300英里长的铜缆，其重量介于1,750磅和7,000磅之间。传感器网络数据的急剧增长，加上对超高分辨率航空成像、实时仿真和安全通信的需求，使得基于RF和铜缆的基础设施的带宽裕量不再够用。

于是，光纤线缆进入了人们的视野。这种线缆由纤细的玻璃或塑料丝制成，利用光脉冲来传输信号。光粒子（光子）的传播速度比电子快得多，因而延迟时间更短，消耗的能量更少，并且不产生热量。此外，光纤的数据承载能力（即带宽）比铜缆大得多。尽管光纤无法完全取代所有铜缆，但用光纤和光电子器件替代铜缆可以显著减小系统重量和尺寸，同时提高散热、能源和频谱效率。

具体来说，单模光纤正在迅速取代铜缆，以实现更小的尺寸但更强的防破坏功能和在不受监管的光谱中工作的能力。这使得飞机组件和系统之间的通信更高效，同时也意味着，客户在部署新系统时无需担心频谱干扰或额外的许可要求。

下图并排比较了光纤和铜缆的多个因素：显而易见，光纤比铜缆更具吸引力。

大规模集成硅光电子器件的前景与阻碍

航空航天领域的器件通常会在有限的物理空间内运行，并且有严格的重量限制。为了让光源更接近系统，并将光电子技术与电子技术集成，开发者便可克服现有的高速（比如每I/O数十Gbps）I/O和功耗限制，使速度提高到每I/O数十Tbps，同时实现对散热、电能和成本的有效管理。

但另一方面，管理任务关键型系统的SWaP要求可能很费时间和精力，究其缘由，可能是因为以RF为主的生态系统非常盛行、许多光电子器件在承受压力/应变时特性会发生变化，或是光电子系统的早期采用存在进入壁垒。

新思科技提供广泛的光电子设计产品组合，分为如下功能组：

光电子器件设计：新思科技RSoft光电子器件工具提供有源和无源波导的仿真。

光电子IC设计：新思科技OptoCompiler是电子和光电子IC的统一设计平台。

光电子系统设计：新思科技OptSim是一款屡获殊荣的光纤和自由空间光学系统与电路仿真工具，用于在信号传播级别设计光通信系统并进行仿真。

共封装光学器件：新思科技3DIC Compiler是针对集成光电子技术的3DHI和Multi-Die系统的先进解决方案。

在意识到硅光电子市场正在快速增长之后，新思科技去年宣布与瞻博网络公司成立合资企业，并推出OpenLight，在业界率先提供集成激光器的开放式硅光电子平台。新思科技相信这项投资将减少现有的系统建设障碍，并提升集成光电子器件（包括集成光源的系统）的接受度。

Multi-Die系统促进光电子和电子技术的进一步集成

日益受到行业组织的关注

工艺节点每前进一步，芯片的复杂性和未知因素就会大幅增加，因此无论应用在何处，创建安全可靠的解决方案都至关重要。

凭借Multi-Die系统集成光电子技术、功耗和热分析的能力，新思科技的各种工具（如新思科技3DIC Compiler）整合了众多变革性的Multi-Die设计功能，提供一个完整的架构到签核平台。新思科技ZeBu硬件加速系统等解决方案可以处理基于实数的混合信号设计，扩展3D系统的容量，并利用芯片生命周期管理技术进行片内环境监控和测试。以及新思科技完整的UCIe IP解决方案可在Multi-Die系统中的异构裸片之间提供可靠、低延迟、安全的连接。

要将光电子技术与现有信号处理链成功集成，必须将各种工具和功能结合起来，通过已验证的数据交换平台紧密协作。未来，Multi-Die设计和硅光电子技术预计将显著优于传统电气系统。新思科技也将持续投资这些前沿技术，致力于在航空航天芯片创新领域发挥重要作用。

审核编辑：汤梓红