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如果你打开一个飞机从30年前,鲜明的对比在技术能力相比,现代飞机将显而易见甚至那些不熟悉航空航天工业。传统飞机一旦依靠铜线传输电子信号和数据。然而,随着新的芯片架构的出现和日益增长的光纤的好处,以及替代金属,如铝和碳纤维,今天政府的方式,航空航天和国防系统设计已经发生了巨大的变化。
特别是,两种技术的行业风暴与令人印象深刻的增长和发展轨迹:3 d异构集成和光子。
在我们深入研究这些技术是如何推动创新和启用更先进和高效的解决方案从地面到空间,让我们开始通过建立一些重要的定义。
6术语保持的心态
- 死:数字、模拟混合信号电路,或者是由一个单一的半导体材料(硅、锗等)或复合材料(砷化镓,磷化铟镓氮化硅、碳化硅、等),实现了模拟或数字处理功能,如CPU、GPU,记忆,射频光子学、传感。
- III-V材料:一个班的化合物半导体由元素属于第三组(如铝、镓和铟)和组V(如氮、磷、锑)的元素周期表。
- Multi-die系统:多个异构模具集成在一个包中创建一个更复杂的系统。每个模具包含不同类型的电路,不同死亡或堆叠互联使用插入器和技术等在矽通过(tsv)和microbumps。
- 插入器:主动或被动电路层,促进模具之间的联系与不同的音高(输入/输出连接间距)包底物。插入器可以使用各种材料,包括硅、聚酰亚胺、陶瓷、玻璃、织物和钻石,可以包括互连和嵌入其他设备。
- 2.5 d异构集成(HI):异构集成并排而死,在一个平面上(例如,硅插入器),与水平die-to-die互联。
- 3济:异构模具集成多个层,垂直die-on-die和水平die-to-die互联。
3济:回报和挑战
现代政府、航空航天和国防系统,执行自动化和认知处理要求高计算密度,通常,处理在一个小的形式因素。例如,当涉及到高性能计算(HPC)的设计,整体soc不再能够提供可伸缩性和收益率,设计师正在寻找。因为几乎所有方面的系统性能受限于电力和电输入/输出(I / O),尺寸和重量减少为设计师是至关重要的目标。
通过纵向或横向集成不同类型的芯片,3济可以缩小大系统成小包装,导致更好的计算以及大小、重量和功耗(SWaP)的组件,为空间受限平台解决一个重要问题(尤其是在严酷的环境下海洋,沙漠,和外太空)。更小的芯片会产生更好的效果,可以在不同的应用程序中重用,创造新的设计可能性。此外,由于这些芯片的距离,3 d包支持高带宽,ultra-short-latency,且非常省电点转移,显著优于传统2 d设计。
增加集成密度一直是一个伟大的利益实现更有能力和便携式系统,但它也引发了严重的multi-physics挑战。证明了摩尔定律,芯片组件的几何尺寸不能无限期地减少,或早或晚,可以集成在芯片上的晶体管数量将达到其极限。虽然我们还没有达到这一阶段,每一个技术的小型化可以花费更长的时间,是非常昂贵的。
设计和制造的复杂性3济具有挑战性的环境也将包装技术的进步,互连的解决方案,和热管理。这使它更艰巨的团队,确保可靠和有效的集成组件为各种外部环境的操作,包括考虑飞机设计保证(- 254 / - 178)和测试严酷的国防和航空航天和mil - std - 883。
与传统的EDA的解决方案,从PCB阶段开始,Synopsys对此工具是独一无二的,因为他们可以帮助合作设计模具/包在一起,连同系统结果分析。最后,有额外的复杂性在数字和模拟处理,化合物半导体,并支持存储、内存、光子学的发展,我们看到材料和过程工程解决方案中扮演重要的角色在集成复杂化合物半导体以及政府支持现有国防设计和研究一个完整的工具流multi-die系统设计。
并行光学和光纤
补充我们的先进multi-die系统体系结构是利用光进行交流的传统上通过电子数据和执行功能。光子学的出现彻底改变了有什么可能的航空系统的通信和传感功能。现代商用飞机平均70到300英里之间的铜电缆,体重在1750至7000磅之间。与戏剧性的从传感器网络数据爆炸,ultra-high-resolution空中成像的需求,实时仿真,和安全通信,铜的射频带宽津贴及基础设施不再足够了。
输入光纤电缆。这些电缆是由薄的玻璃或塑料,使用光脉冲传输信号。因为这些粒子的光(光子)旅行速度远远超过电子,低延迟,消耗更少的能量,并产生没有热量。此外,光纤提供了一个更大的数据承载量(即。,比铜带宽)。尽管光纤不能完全取代所有的铜电缆,用纤维和光子学可以显著减少重量和大小,同时改善热、能量和频谱效率。
具体来说,单模纤维迅速取代铜提供一个较小的足迹,更弹性窃听/违反,和操作的能力在一个不受监管的光谱。虽然这使一个有效的飞机部件和系统之间的通信流,这也意味着顾客不需要担心光谱干扰或额外的许可在部署新系统。
下图给出了其他因素的对比,使光纤比铜更有吸引力的选择。
前景与大规模集成硅光子学的障碍
航空航天和国防系统通常运行在有限空间重量有严格的限制。通过光源接近系统和集成光子学与电子学,可能设计团队克服现有高速I / O和权力限制(每个I / O认为10 Gbps),使规模数万真沸点/ I / O管理散热需求,能源,和成本。
相反,由于普遍RF-heavy生态系统,改变的特点,许多光子设备暴露于压力/应变时,缺乏军用标准、进入壁垒和早期采用光子系统管理关键任务系统可以互换要求需要时间和努力。
Synopsys对此提供了行业的广泛的光子设计产品组合,可以分为三个功能组:
- 光子器件设计:Synopsys对此RSoft™光子设备工具为主动和被动提供模拟波导。
- 光子集成电路设计:Synopsys对此OptoCompiler™是业内唯一的统一的电子和光子集成电路设计平台。
- 光子系统设计:Synopsys对此OptSim™是一个屡获殊荣的光纤和空间光学系统和电路模拟器的设计和模拟光学通信系统信号传播的水平。
- Co-Packaged光学:Synopsys对此3 dic编译器是一种先进的解决方案3济和multi-die系统集成光子学。
认识到快速增长的硅光子学市场,我们宣布了合资企业去年,瞻博网络公司推出OpenLight,为该行业提供世界上第一个开放硅光子学平台与集成的激光。我们相信这项投资将减少现有的制度建设壁垒,增加集成光子学的应用,包括系统集成的光源。
Multi-die系统促进Photonic-Electronic集成
从政府和行业组织越来越感兴趣
在光子学的整体采用航空和政府应用程序仍然是获得牵引力,有利经济的能源效率、重量、可靠性和成本使得光子集成对国家安全至关重要。
集中投资的政府和大学帮助提高认识,促进在光子学的研究在过去的十年。例如,美国国防部(DoD)在2015年发起了一个公私合作投资计划叫做“美国制造业集成光子学研究所(AIM光子学)作为合作研究和开发中心先进的集成光子技术和制造过程。
Synopsys对此的工作的一个例子在光子学先进电子产品包装是OUSD神奈川程序。在这个程序中,Synopsys对此是洛克希德·马丁公司的分包商,使他们在包装解决方案,建立先进的multi-die包括co-packaged光学(CPO) 2.5 d / 3 d设计。这样的行业合作可以帮助推进集成光子学技术的商业化和加强国家的生产准备跨应用程序。
我们从每个连续的流程节点,芯片的复杂性和体积未知会大幅增加,使其关键任务创建的解决方案是安全的,安全的,可靠的,不管他们在哪里(陆地、海洋、空中、空间!)。
与multi-die系统集成光子学的能力,能力,和热分析,我们的投资组合的工具等Synopsys对此3 dic编译器聚集大量的变革,multi-die设计能力提供一个完整的architecture-to-signoff平台。解决方案等Synopsys对此瘤牛®仿真系统可以处理混合信号设计使用实数和规模容量为3 d系统除了芯片环境监测和测试硅生命周期管理技术。和完整的UCIe IP解决方案提供了可靠的、低延迟,以及安全die-to-die连接跨异构死于multi-die系统。
一系列广泛的工具和功能的组合工作团结地通过可靠的数据交换平台将必须成功地集成光子学与现有的信号处理链。展望未来,我们设想multi-die设计和硅光子学在传统电力系统提供显著的优势。Synopsys对此将继续扮演重要的角色在投资于这些技术来塑造未来的航空航天和政府应用程序。