百团百项|AI+EE上海科学家打造宽禁带半导体光电子芯片智能设计平台

聚焦后摩尔时代核心科技，加速汇聚新质生产力。在上海市经信委科学智能“百团百项”专项支持下，复旦大学联合产业界打造的AI驱动宽禁带半导体光电芯片智能设计项目，为国产光电子芯片EDA工具链提供智能化驱动力。

抢占先导产业制高点，底层元器件成科技发展关键

当前，新一轮科技革命和产业变革深入推进，在抢占6G通信、元宇宙生态与新一代智能算力等先导产业制高点的征程中，数字基础设施对底层硬件的性能提出了前所未有的多样化要求。光子芯片被认为是“后摩尔时代”信息领域发展的核心技术之一。作为宽禁带半导体的代表，氮化镓（GaN）光电器件凭借其高亮度、高调制带宽与优异的可集成性，完美契合未来应用对更高速率和更低功耗的极致追求，正迅速成为多场景的核心光源。除了半导体照明、投影显示等成熟市场，GaN基光电器件在以可见光通信等为代表的6G通信系统，AR/VR微显示等为代表的元宇宙应用，Micro-LED光互连为代表的AI智算中心光互连链路，以及单光子源、冷原子钟、水下高速链路、车载激光雷达等新兴应用中都具有技术不可替代性和快速增长的市场潜力。这使得未来的国际科技产业竞争中，谁能率先具备快速响应市场需求和趋势变化的宽禁带半导体光电子芯片的设计与量产能力，谁就能够在数字经济高质量发展的核心底层元器件中占领先机，为海量数据传输与高性能计算等上层系统应用提供有力支撑。

项目研究面向多元化应用需求

高性能GaN光电子芯片

直面产业高质量发展痛点，为未来光子芯片EDA赋能

尽管产业前景广阔，但在世界百年未有之大变局加速演进的历史环境下，光电子芯片行业走向高端高质量发展依然面临诸多技术挑战。长期以来，我国在该领域的底层设计环节面临着严峻挑战。传统物理机制下的宽禁带半导体光电芯片结构设计过程异常复杂，不仅技术研发门槛极高，而且伴随着极其庞大的资金投入与时间成本。广大科研人员和一线工程师在进行芯片架构验证时，高度依赖来自国外的高端仿真工业软件，通过工程师凭先验知识选取芯片设计参数进行正向设计。但随着国际合作和竞争格局的深刻变化，以及行业发展的需求演变，依靠海量正向仿真进行结构优化的传统研发范式已不可持续。一系列多元化场景和新兴应用的快速涌现对光电子芯片的功率、带宽、波长、线宽、功耗、尺寸等提出差异化甚至定制化需求。例如，水下感知通信需要窄线宽光源，AI算力中心光互连需要耐高温低功耗光源，原子量子系统需要可调谐激光光源，生物传感成像等应用需要宽禁带半导体光子集成芯片。随着光电芯片在通信、显示、量子等诸多应用中展现出大带宽、低功耗、窄线宽等多元化的设计需求，业界亟需一种基于国产EDA软件的、可以从功能需求出发的智能芯片设计方法。

基于人工智能的芯片加速仿真与智能预测

攻坚核心技术壁垒，实现自主可控迫在眉睫

在当前复杂的国际竞争格局下，核心工业软件的缺失严重威胁着我国半导体产业链的安全与稳定。关键核心技术一旦受制于人，便随时面临被封锁的重大风险。特别是“十五五”规划纲要中明确指出，我国半导体行业要转向“筑高地、强韧性、保安全”的综合性目标。因此，彻底打破国外技术垄断，加速推进底层仿真设计软件的自主可控与智能化革新，已经成为保障国家产业安全、实现高水平科技自立自强迫在眉睫的时代命题。面对国家实现自主可控EDA设计软件的重大战略需求，项目团队基于前期在光电子芯片领域多年的研发基础，结合广泛产业调研分析，在上海市科学智能“百团百项”专项支持下复旦大学联合上海芯钬量子科技有限公司、上海镓旦电子信息有限公司等行业领军企业携手开展“AI驱动宽禁带半导体光电芯片智能设计”研究。面向多样化应用需求，开展数据集构建、正向加速预测、逆向设计工具以及芯片实验验证。

AI驱动宽禁带半导体芯片智能设计项目全景图

AI与物理协同驱动，打通器件设计、制备、验证的生态闭环

身处6G通信与海量智能算力爆发的历史交汇点，宽禁带半导体光电芯片的性能已经极度逼近传统物理极限。我们已无法承受传统试错式研发的漫长周期，亟待寻求技术突破。我们的破题之道，就是跨越学科鸿沟，将深奥复杂的底层物理规律融入进深度学习的算法体系中，为光电子EDA赋予智能内核。

犹如人工智能大语言模型高度依赖海量优质语料进行训练，光电芯片的底层智能模型同样面临着严重的数据匮乏困境。面对这一难题，项目团队迎难而上，采取了最为坚实的数据筑底策略。利用前期项目团队在氮化镓基光电器件方面的成果积累，建立首个包含超过5000条氮化镓基发光二极管（LED）与激光二极管（LD）的标准化数据集。涵盖的设计参数超过20项，覆盖不同波长，包括Micro-LED，mini-LD等新型器件，为人工智能模型提供了最为优质且不可替代的数据养料，且该数据集仍在持续更新扩容。

项目组定期举行跨团队技术交流研讨会

在复旦大学未来信息创新学院，由迟楠院长团队沈超老师牵头研发了光电芯片正向预测模型。在多项指标的标准数据集测试任务中，该模型预测的芯片性能与目标参考性能的契合度达95%以上，同时单任务运行时间较传统算法大幅缩减。

在项目联合承担单位上海芯钬量子科技有限公司，一群从事底层数学、物理基础算法的科学家与软件工程师和人工智能专家聚在一起，设计开发出Nuwa TCAD等半导体工艺和器件仿真工具，致力于打破宽禁带及超宽禁带半导体仿真工具长期被国外垄断的局面。

芯钬量子公司自研EDA软件概览

在项目联合承担单位上海镓旦电子信息有限公司，聚集了来自国家第三代半导体技术创新中心等平台的工程技术人员，在材料生长、测试分析、器件工艺、模块设计与集成应用方面为项目团队的流片验证提供有力支撑。

深耕尖端材料，在新频谱器件与光子集成领域取得进展

项目团队目前在GaN基激光器小型化设计及高速可见光通信应用方面取得阶段性进展。围绕GaN基激光器尺寸微缩这一关键方向，团队通过有源区调控、波导层厚度优化、谐振腔尺寸缩小以及P电极尺寸设计等多维度协同优化，成功研制出一款高速蓝光小尺寸激光器（mini-LD）芯片。实验结果表明，该芯片能够有效抑制动态响应中的阻尼效应，并较好兼顾晶体应力约束与微分增益提升之间的平衡。器件调制带宽达到8.4 GHz，在开关键控（OOK）调制下实现20 Gbps传输速率，在PAM4调制下实现33 Gbps传输速率，展现出面向高速可见光链路应用的良好潜力；进一步结合离散多音（DMT）调制与比特—功率加载算法，传输速率提升至37.1 Gbps。该成果从器件设计层面拓展了大带宽InGaN mini-LD的实现路径，为高速可见光通信、水下光通信及带宽密集型光无线应用提供了有力支撑。相关研究成果近期发表于Science China Information Sciences（2026, 69(3): 132405）。

团队研制的高速蓝光GaN微型激光器。(a) 该器件的扫描电子显微镜（SEM）俯视图像；(b) 鸟瞰SEM图像；(c) 该器件的扫描透射电子显微镜（STEM）图像；(d) PAM4调制下实现了 33 Gbps 的传输速率及其误码率；(e) DMT调制下实现了 37.1 Gbps 的传输速率以及每个子载波对应的信噪比和调制阶数。

在可见光光子集成器件智能设计领域，项目团队近日取得重要进展。针对短波长无源光子器件设计与制备难题，团队提出了一种基于简化深度神经网络的优化设计新方法，为蓝光波段光栅耦合器的高效设计提供了可靠路径。该成果实现了机器学习技术在可见光光子器件设计中的有效应用，显著提升了光子芯片设计效率，并通过实验验证了高耦合效率蓝光光栅耦合器智能设计与制造方案的可行性，为可见光光子集成器件的高效开发提供了新思路。相关研究以 “Simplified Deep Learning Driven Design of Blue Light Grating Couplers” 为题发表于《先进光学材料》（Advanced Optical Materials, 2026: e01822），并入选当期封面。

面向短波长光子集成芯片的智能设计

项目团队接下来将继续依照建设方案推进项目实施，为行业建设包括数据集和仿真工具在内的研发公共基础设施。伴随项目的持续推进，利用人工智能驱动宽禁带半导体光电芯片智能设计，有望突破现有光电芯片设计方法，大幅提升光电芯片EDA设计效率，缩短新型芯片从设计到产品的时间。这套自主可控的AI智能设计平台，对于我国高端光电芯片产业发展具有重要意义，将为上海6G、元宇宙与智能算力等先导产业注入动能，助力国产半导体工业软件向着高阶智能化演进。

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