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

特別是，其中有兩項技術席卷了整個行業，并呈現出了令人印象深刻的增長和發展軌跡：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新并實現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）制成的數字、模擬或混合信號電路，用于實現模擬或數字處理功能，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：多個異構裸片集成在一個封裝中，形成更復雜的單個系統。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：優勢和挑戰

航空航天領域在執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不再能夠提供開發者所尋求的可擴展性和良率。由于系統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可以將大型系統縮小并放入小型封裝中，實現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2D設計優勢顯著。

提高集成密度非常有利于實現更強大、更便攜的系統，但它也帶來了嚴峻的多物理場挑戰。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展。這使得開發者的任務更加艱巨，要確保集成的組件在各種外部環境下可靠高效運行，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，它可以幫助開發者將裸片和封裝一同設計，另外還能進行系統簽核分析。最后，對于數字和模擬處理、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，并利用Multi-Die系統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系統架構形成互補，那就是用光來傳輸數據和執行原本由電子完成的功能。光電子技術的出現徹底改變了航空航天系統的通信和傳感能力。現代商用飛機平均有70至300英里長的銅纜，其重量介于1,750磅和7,000磅之間。傳感器網絡數據的急劇增長，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，光纖的數據承載能力（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，以實現更小的尺寸但更強的防破壞功能和在不受監管的光譜中工作的能力。這使得飛機組件和系統之間的通信更高效，同時也意味著，客戶在部署新系統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，并將光電子技術與電子技術集成，開發者便可克服現有的高速（比如每I/O數十Gbps）I/O和功耗限制，使速度提高到每I/O數十Tbps，同時實現對散熱、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為主的生態系統非常盛行、許多光電子器件在承受壓力/應變時特性會發生變化，或是光電子系統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的統一設計平臺。

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

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絡公司成立合資企業，并推出OpenLight，在業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有的系統建設障礙，并提升集成光電子器件（包括集成光源的系統）的接受度。

Multi-Die系統促進光電子和電子技術的進一步集成

日益受到行業組織的關注

工藝節點每前進一步，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，創建安全可靠的解決方案都至關重要。

憑借Multi-Die系統集成光電子技術、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硬件加速系統等解決方案可以處理基于實數的混合信號設計，擴展3D系統的容量，并利用芯片生命周期管理技術進行片內環境監控和測試。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，通過已驗證的數據交換平臺緊密協作。未來，Multi-Die設計和硅光電子技術預計將顯著優于傳統電氣系統。新思科技也將持續投資這些前沿技術，致力于在航空航天芯片創新領域發揮重要作用。

審核編輯：湯梓紅