Elektro-optisch-elektrische Simulation für Rechenzentren und schnelle Ethernet-Designs

Keysight Technologies stellt eine neue EOE-Simulationslösung (Electrical-Optical-Electrical) innerhalb der Software ADS 2026 vor. Die Plattform ermöglicht die durchgängige Simulation von Signalwegen – vom elektrischen über das optische bis hin zum wieder elektrischen Signal – in einer einzigen Entwicklungsumgebung. Diese Funktion zielt auf die steigende Nachfrage nach schnellen optischen Verbindungen ab, die für den Betrieb von KI-Infrastrukturen und Hochleistungsrechnern erforderlich sind. Die Analyse dieser Signalwege ist für die Architekturfestlegung und die Leistungsbewertung von modernen Rechenzentren maßgeblich.

Relevanz der domänenübergreifenden Modellierung
Prognosen zufolge werden bis 2029 etwa 87 Prozent der optischen Transceiver im Hyperscale-Bereich Datenraten von 800 Gbit/s oder mehr erreichen, wobei Entwicklungen in Richtung 1,6 Tbit/s und 3,2 Tbit/s fortschreiten. Da optische Verbindungen Prozessoren (CPUs, GPUs) und schnelle SerDes-Schnittstellen (Serializer/Deserializer) miteinander verknüpfen, erfordert die Entwicklung eine präzise Modellierung der Interaktionen zwischen den elektrischen und optischen Domänen. Bisherige Simulationsworkflows behandelten diese Bereiche isoliert, was eine manuelle Zusammenführung der Ergebnisse aus verschiedenen Werkzeugen erforderlich machte. Dieser getrennte Prozess birgt das Risiko, dass domänenübergreifende Effekte übersehen werden, die die Systemleistung beeinträchtigen.

Technische Umsetzung im Workflow
Die EOE-Funktionalität in ADS 2026 erlaubt es Entwicklern, den kompletten Signalpfad einschließlich der Transmitter, optischen und photonischen Schaltungen sowie der elektrischen Empfänger in einem einheitlichen Workflow zu simulieren. Die Software kombiniert dabei den High-Speed-Digital-Workflow von Keysight mit dem Keysight Photonic Designer. Durch die Simulation der Mixed-Domain-Signalkette vor der physischen Hardware-Implementierung lassen sich die physikalischen Parameter der elektrischen und optischen Designs frühzeitig in der Entwicklungsphase abstimmen. Zudem wird die Signalintegrität anhand gängiger Hochgeschwindigkeitsstandards bewertet.

Bewertung der Signalqualität und nichtlinearer Effekte
Ein technischer Schwerpunkt der Software liegt auf der Identifizierung von Signalintegritätsproblemen durch die gleichzeitige Simulation von digitalen Hochgeschwindigkeits-SerDes-Kanälen und dem Verhalten photonischer integrierter Schaltkreise (PICs). Die Software unterstützt Vollduplex-Simulationen für bidirektionale optische Verbindungen, wodurch die Signalausbreitung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung innerhalb eines EOE-Kanals erfasst wird. Zudem ermöglicht die Integration von Wellenlängenmultiplexing-Parametern die Analyse nichtlinearer Effekte über mehrere Wellenlängen bei mehrspurigen Verbindungen. Dies ist von technischer Relevanz, da 800G- und 1,6T-Verbindungen zunehmend mehrere Wellenlängen zeitgleich auf demselben Wellenleiter modulieren. Die Rauschmodellierung sowie großsignalabhängige und von der Modulatorvorspannung beeinflusste nichtlineare Effekte werden im Rahmen der End-to-End-Simulation über beide Domänen hinweg als Gesamtsystem erfasst.

Optimierung von der System- zur Komponentenebene
Die Multi-Domain-Co-Simulation verbindet den elektrischen Kanalsimulator mit dem Simulator für die optische Hüllkurve, was den Wechsel zwischen unterschiedlichen Softwarewerkzeugen zur Bewertung von Design-Kompromissen überflüssig macht. Neben der Systemebene deckt ADS 2026 auch die Komponentenoptimierung ab. Durch die Unterstützung von Process Design Kits (PDKs) auf Schaltungsebene und die Integration der Software Keysight RSoft zur Modellierung auf Komponentenebene wird das Verhalten der photonischen ICs physikalisch abgebildet. Dies minimiert Diskrepanzen zwischen der Simulation auf Systemebene und dem tatsächlichen Halbleiter. Niels Fache, Senior Vice President bei Keysight, ordnet die Entwicklung technisch ein: „Die KI-Infrastruktur ist auf optische Verbindungen mit 800 Gbit/s und 1,6 Tbit/s angewiesen, um Daten in großem Maßstab zu übertragen. Bei diesen Geschwindigkeiten lassen sich die elektrische und die optische Leistung nicht mehr getrennt modellieren.“

Zusätzlicher Kontext: Technische Spezifikationen und Markteinordnung
Dieser Abschnitt detailliert technische Spezifikationen und das Wettbewerbsumfeld, die nicht in der ursprünglichen Produktankündigung enthalten waren. Im Bereich der elektronisch-photonischen Designautomatisierung (EPDA) konkurriert Keysight mit etablierten Simulationsarchitekturen wie der OptSim-Umgebung von Synopsys und den photonischen Design-Tools von Ansys (Lumerical). Ein entscheidendes Kriterium moderner EPDA-Plattformen ist die nahtlose Co-Simulation von elektrischen ICs (meist basierend auf CMOS- oder BiCMOS-Prozessen) und Silizium-Photonik-ICs innerhalb einer einzigen Testbench. Die Entwicklung in Richtung 1,6-Tbit/s-Ethernet (gemäß Spezifikationen wie IEEE 802.3dj) erfordert komplexe PAM4- oder kohärente Modulationsverfahren. Diese stellen extrem hohe Anforderungen an das Rausch- und Verzerrungsmanagement, weshalb integrierte elektro-optische Simulatoren zur Validierung der Signalqualität vor der Fertigung (Tape-Out) zunehmend zum industriellen Standard in der Halbleiterentwicklung werden.

Bearbeitet von einem Industriefachjournalisten, Lekshman Ramdas, mit KI-Unterstützung.

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