2024开年没多久，一则新闻发布震撼了整个电子产业界。全球市占率最高的EDA公司新思科技（Synopsys），与最大的工程模拟技术公司安矽思（Ansys），共同宣布了合并的消息，将由新思科技出资350亿美元，把安矽思纳入旗下。

两个月之後，排名第二的EDA商益华电脑（Cadence Design Systems）也宣布了一起的收购案，表明已与BETA CAE Systems International AG达成收购协议。BETA CAE是一家工程模拟方案的供应商，专精於汽车、航空航太、工业与医疗保健的系统分析。而这已是近5年来，Cadence针对模拟技术方案所发动的第4个并购案。

至於西门子（Siemens EDA），由於本身已经在工程模拟领域耕耘多年，具备一定程度的模拟技术，反倒是较为欠缺在IC设计软体上的实力，因此在2023年收购了Insight EDA，并持续强化在3D-IC设计的热分析方面的产品线。

从这些EDA大厂近期频频的动作，就可以看出具备多物理模拟技术已是现在电子系统与半导体设计不可或缺的一环，而它涉及的领域与范畴仍在不断的扩大。

什麽是多物理模拟？

那到底什麽是多物理模拟模拟呢？所谓的多物理模拟，英文为「Multiphysics Simulation」，是指在电脑模拟中，同时考量多种物理现象之间的相互作用与影响，并对其进行分析与预测的技术。这些物理现象可能包括：

· 结构力学：物体在受力下的变形、应力分布等。

· 流体力学：流体的流动、压力、温度变化等。

· 热传学：热量的传递、温度分布变化等。

· 电磁学：电场、磁场、电流分布等。

· 化学反应：化学物质之间的反应、物质浓度变化等。

事实上在现实世界中，许多工程与科学问题都涉及多种物理现象的耦合作用。例如，手机在运作时，除了电路中的电磁现象，还会有元件发热、外壳受力等问题。透过多物理模拟才能更全面地模拟这些复杂的交互作用，帮助工程师、系统开发人员，以及科学家们更深入地了解问题，并设计出更优良的产品和解决方案。

多物理模拟的发展历史可以追溯到20世纪中期，随着电脑技术的进步，科学家和工程师开始尝试用数值方法解决复杂的物理问题。几个重要的里程碑，如下表。

多物理模拟与电子元件设计的关系

传统的电子系统或者晶片设计，都是采用EDA软体工具为主，并没有包含多物理模拟的流程，验证跟测试都是属於设计完成之後的步骤。但随着电子系统的功能越来越多，相应的其中的半导体IC与零组件的复杂度也越来越高，因此设计端就必须要考量更多物理层面的因素，除了能增加生产的良率外，更重要的，是可以降低整体的生产成本与开发的时程，同时也能进一步提升产品的性能与品质。

Cadence多物理系统分析事业群产品工程处处长施嘉文表示，现在开始使用多物理模拟工具，并不代表过去没有多物理模拟的需要。事实上，这些杂讯与热的问题一直都存在，只是过去可以忽视它。但到了现代，装置的功能与复杂度已不可同日而语，其中电子元件与半导体晶片的设计之精密，过多的杂讯与干扰都可能会对系统电路造成严重的影响，甚至是失效的情况。

由此可知，电子系统设计所以走向多物理模拟，几??是必然的过程，尤其是近十年的半导体技术演进之快，微缩与封装的发展可说是日进千里，纳入多物理模拟的设计流程显然是必经之路。

图一 : Cadence多物理系统分析事业群产品工程处处长施嘉文

Ansys台湾区总经理李祥宇也描绘了相同的发展脉络，但更实际的是整体设计流程的需要。他表示，科技的发展是由人们的需求所驱动的，这个需求会产生一个系统装置的概念，而它也需要零组件的搭配来实现。但系统里的零组件是相互影响的，之间有任何一个环节出错，都会对系统带来危害。

他也举AI伺服器为例，指出目前AI伺服器有功耗很高的问题，衍生而来的就是散热的问题。但若只是从单一方面去解决，例如只解决功耗的问题，但却遗漏了其他。这对整体系统来说，并没有帮助。因此透过多物理模拟的方式，来对整体系统进行评估才是最可行的方式。

特别是现今的科技越来越进步，因此更多的物理面向的因素就必须被考量进来，光只是电讯号的议题已不能满足当代的设计需求，包含热、结构、以及应力的问题都要纳入。

「以前我们可能只会考虑电的问题解决，谁会去管结构的问题，可是现在不一样了。现在的功耗越来越大，然後从电的耗损产生出来的热越来越大，它会影响到系统的效能，同样的道理，放到IC晶片的角度，则是会影响封装结构的问题。」李祥宇强调。

图二 : Ansys台湾区总经理李祥宇

所以具体来说，从电子元件的运作需求来看，多物理模拟至少要针对以下的项目来进行优化：

· 热管理：电子元件在工作时会产生热量，过高的温度会影响元件性能，甚至导致损坏。多物理模拟可以分析元件的温度分布、散热效果，帮助工程师设计出更有效的散热方案，如散热片、风扇等。

· 结构强度：元件在制造、运输和使用过程中会受到各种机械应力。多物理模拟可以评估元件的结构强度、疲劳寿命，确保元件在各种环境下都能正常工作。

· 电磁兼容性（EMC）：元件运行时会产生电磁辐射，同时也容易受到外部电磁干扰。多物理模拟可以分析元件的电磁场分布、辐射强度，帮助工程师设计出符合EMC标准的元件。

值得注意的是，尽管现在所谈论的电子系统干扰的因素都是以单一项目切入，例如热、或者电磁，但现实上，各个物理现象都是同时存在，也因此物理场彼此间「耦合」的状况也需要考量，也就是相互间的交互作用。而这更是多物理模拟工具现在备受注目的原因。

多物理模拟的应用优势与设计范例

既然导入多物理模拟是必然的结果，那它究竟可以带来哪些好处？又适用於哪些应用？

首先，多物理模拟可以分析整个装置的电、热、力等多物理场耦合作用，帮助工程师优化装置的整体性能；再者，就是提高可靠度，因为电子装置在工作时会受到各种环境因素的影响，如温度、湿度、振动等。多物理模拟可以评估装置在不同环境下的可靠性，预测其寿命，为设计和维护提供依据。最後，就是提供故障诊断，当电子装置出现故障时，多物理模拟可以帮助工程师分析故障原因，找出问题所在，并提出解决方案。

图三 : 图为Cadence的热分析模拟工具。（source：Cadence）

举例来说：在设计手机时，工程师可以使用多物理模拟分析手机内部晶片的温度分布，确定是否需要额外的散热措施；在设计电动车电池时，工程师可以使用多物理模拟评估电池在不同温度和充放电条件下的性能和寿命；在设计伺服器时，工程师也可以使用多物理模拟分析伺服器内部气流和温度分布，优化散热设计，提高能源效率。

另一个重点应用范例就是5G基地台，透过模拟电磁波与天线结构的相互作用，工程师可以优化天线的辐射方向图、增益、效率和频宽等关键叁数，这对 5G 毫米波天线尤其重要，因为毫米波具有更短的波长，使得天线设计更加复杂。

另一方面，毫米波天线在高功率操作下可能会产生大量热量，热模拟可以帮助工程师评估天线在不同工作条件下的温度分布，并找出潜在的热点。此外，天线的结构完整性对其性能有着直接影响，结构模拟可以帮助工程师分析天线在风载、振动或其他机械应力下的变形和应力分布。

至於在半导体领域，由於微缩技术越来越先进，导致IC晶片因其高密度特性，面临严峻的散热和电磁干扰挑战。多物理模拟可有效解决这些问题，透过热-电-结构耦合模拟，能同时分析IC内部的温度、电流密度和应力分布，评估热效应和电磁干扰对IC性能和可靠性的影响，从而优化IC设计，提升其性能和寿命。此外，电磁兼容性(EMC)模拟则能分析IC的电磁辐射和抗干扰能力，确保其符合EMC标准，避免对其他电子设备造成干扰。

多物理模拟如何导入设计流程

而多物理模拟流程与工具要如何结合到传统的设计流程之中，则是目前仍在持续发展中，很大的原因就是多物理模拟工具与传统的设计工具还在整合中。

对此，Cadence多物理系统分析事业群产品工程处处长施嘉文指出，由於产品设计周期缩短、应用日新月异，传统串行式的设计流程已不敷使用。过去多物理分析常被延後，导致问题严重後才发现，交互作用也更明显。因此，导入「预防重於治疗」的观念很重要，要将多物理分析需求提前至产品初期规划与後期阶段，并压缩设计流程。

施嘉文进一步表示，解决的方法就是早期介入，在设计初期就纳入多物理分析步骤，并邀集相关团队叁与。接着 透过不断迭代、分析、修正，加速开发流程，最後就是要整合多物理分析，将多物理分析融入设计阶段，而非事後补救。

Ansys台湾区总经理李祥宇则认为，设计流程的改变是为了因应应用的变化。随着科技进步，产品设计需要考量的因素越来越多，例如从过去只考虑电的问题，到现在需要考虑热的问题，甚至结构问题。设计流程并非一开始就能面面俱到，而是随着市场或客户需求的驱动，逐步增加需要考量的因素，流程也随之变得更复杂。

他指出，研发单位应随时关注市场动态和科技发展，才能及时调整设计流程。如果是零组件厂商，还需留意下游系统厂的需求。

只不过，在目前的企业中，电路设计与模拟验证通常由不同的人负责，因为这两个领域仍是属於术业有专攻的情况。为解决此分工，有两种方式：

1.设计流程优化：

· 将设计流程划分为多个步骤，不同角色负责不同阶段。

· 在特定步骤加入模拟验证，确认设计符合标准并找出潜在问题。

充分使用模拟工具：

· 使用适当的模拟工具进行详细的模拟验证。

· 结合方便易用的工具流程查看进度，及时调整设计方向。

总结来说，透过优化流程与善用工具，可以让电路设计与模拟验证更有效率，并确保设计品质。

图四 : 图为Ansys的天线无线电设计与模拟工具。（source：Ansys）

结语

多物理模拟已成为电子系统与半导体设计不可或缺的技术。根据MarketsandMarkets的研究，预计到 2027 年，全球多物理场模拟软体市场规模将达到54亿美元，复合年增长率为10.2%；Research and Markets也预测，到2028 年全球多物理场模拟市场规模将达到 61 亿美元，复合年增长率为 9.5%。

这些报告都显示，多物理场模拟软体市场在未来几年将持续稳定成长。

而随着技术不断发展和应用领域不断扩大，多物理场模拟软体也将在产品设计、开发和优化中发挥越来越重要的作用。尽管目前的设计流程与人员的配置仍在持续变化中，但随着电子系统复杂度的提高，设计端必须在早期阶段就考量更多物理层面的因素，以增加生产良率、降低成本、缩短开发时程，并提升产品性能与品质。

另一个值得注意的趋势，便是人工智慧（AI）和机器学习（ML）技术的应用，透过结合AI和ML技术能提高多物理场模拟软体的效率和准确性，并实现更复杂的模拟和分析，而这也是目前物理模拟技术供应商正在积极发展的领域。