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歡迎來到跨領域物理模擬時代
真還要更真

【作者: 季平】   2021年10月05日 星期二

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工業4.0的核心為虛實整合,模擬軟體是關鍵工具之一。工業模擬軟體是將實體模組轉化成資料,整合到虛擬體系中,在虛擬體系中模擬現實作業中可能遭遇到的每項工作與流程,可以協助建模分析、虛擬實境交互,以及評估各項參數效果,已被廣泛應用於研發設計、生產製造、服務管理等流程。


模擬工具結合大數據、虛擬實境等先進技術,可以預先展示想法及發掘問題,節省成本,比方離岸風機故障,模擬軟體可以預知可能是哪裡出錯、需要帶何種工具,而不是在什麼都不知道的情況下直接開船到現場。


虛擬與現實的橋樑:模擬軟體發展趨勢

計算機輔助4C系統包含電腦輔助設計(CAD)、電腦輔助工程(CAE)、電腦輔助製程規劃(CAPP)、計算機輔助製造(CAM),廣泛應用於電子、航空、航天、機械、汽車、建築、造船、生醫等領域。


在產品製造之前,CAD可以建立產品的數位2D工程圖和3D模型,透過3D CAD可以檢視、模擬和修改設計,有助新產品快速問世;CAE可以用來分析計算複雜工程(生產)的動靜態力學性能,以及流體、電磁等結構性能,以利優化設計;CAPP是利用計算機進行數值計算、邏輯判斷和推理等功能,以制定零件或機械的加工過程;CAM是利用電腦分析、模擬、設計、繪圖,並制定生產計劃、製造程序以控制生產過程,確保生產品質。


模擬軟體主要指電腦輔助工程(CAE)軟體。隨著3D、虛擬實境、大數據、邊緣運算等新技術導入工業模擬領域,軟體與工業實務應用更緊密,模擬軟體也成為工業軟體發展重點。CAE軟體可分為通用類軟體系統和專用類軟體系統,前者涵蓋及應用範圍廣,可以分析、模擬、預測、評價及優化多種工程、產品的物理力學性能,維持技術創新;後者鎖定特定領域工程、產品,執行性能分析、預測及優化。


通用類CAE軟體不少,如Ansys鎖定有限元分析(FEA)、計算流體動力學、電子半導體、嵌入式軟體和設計優化等領域;Abaqus/Explicit也是有限元分析技術,適合模擬瞬間動態事件,如消費電子產品摔落測試、汽車耐撞性測試等,其他如汽車領域常用的Hypermesh、簡單易學的ALGOR、運算速度快的COSMOS、航天領域常用的Nastran,以及可以透過原始碼改造程序的ADINA等多款軟體,各有特色。


模擬軟體的跨領域挑戰

Ansys是工程模擬技術(Pervasive Engineering Simulation)的全球領導者,成立之初以結構分析為主,後來陸續成立與併購流體、應力、電磁場、光、材料與系統設計業者,成為全球最大的工程模擬軟體公司,旗下專業軟體市占率多名列前茅,如


流體(Fluent)、電磁場(HFSS)、結構(Dyna)、系統認證(SCADE)、電磁感應(Max?well)、可靠度(Sherlock)、材料(Gran?ta)等。Ansys的競爭優勢在多場耦合,尤其是物理場耦合,多年來深耕台灣半導體市場。


Ansys技術總監魏培森指出,只考慮單一物理領域設計是不夠的,以智慧型手機來說,晶片是核心,手機功能越來越多、功耗越來越高,電流傳輸因為金屬導體損耗(Loss)所產生的熱效應無可避免,需要進一步考慮電流損耗所帶來的熱效應,「除了好的散熱設計,也須考慮不均勻熱分布而造成結構或晶片連接處的變形,這些都會造成可靠度的問題。」電的損耗會形成熱、熱效應,造成形變,形變又會造成結構破壞或接觸問題,有一貫性與因果效性,「最佳化的設計需要從源頭開始,從晶片等級一直到系統等級。」



圖一 : Ansys技術總監魏培森。(source:Ansys)
圖一 : Ansys技術總監魏培森。(source:Ansys)

魏培森觀察,目前模擬軟體的痛點有二:一是多物理耦合問題,二是快速準確需求,就算是1990年FHSS要花16個小時的計算時間才能得出結果,如今靠新的演算方式只要3.9秒就算出來,客戶端還是希望再快一點,「客戶端面臨到的問題越來越複雜,希望新的軟體或演算法要又快又準,但在快跟準之間我們會認為維持準確度更重要。」


早期工程師只能依據假設性邊界條件做設計,如模擬熱問題時,系統工程師只能估計晶片產生若干瓦熱,假設這些熱源均勻,然後概算風扇效率等數據,做到一定程度的設計,可是當面臨更準確的模擬需求,甚至是跨領域設計需求時,這些假設是不夠用的,會遭遇到相當多問題,「特別是近年來產品小型化、多功能需求成趨勢,系統設計更趨複雜,舉凡系統等級的晶片設計(SoC)、智慧型手機(Smart Phone)、無人自駕車(ADAS)甚至衛星系統(Satellite)都面臨電、熱、應力等多物理與跨領域的設計挑戰。」


現有模擬技術多半是單一領域,遇到跨領域問題時挑戰很大,魏培森說,「跨領域意味著計算公式與理論基礎完全不同(Domain Knowledge),如今工程師們所遭遇到的問題不但是多領域,還包含多領域耦合,常常需要有疊帶,不僅準確度要求更高,計算時間也要求更短,才能符合實務需求。」比方電-熱效應如何轉換、會如何互動、有哪些效應可忽略、哪些效應必須特別考慮……等都需要納入考量,對於模擬軟體來說都是新的挑戰及開發項目。


如何將真實環境帶入數位環境中,滿足使用者「真還要更真」的需求?以無人自駕車(ADAS)設計為例,場景的收集是重要的關鍵技術,因為無人車上路有可能遇到晴天、雨天、下雪等場景,需要雷達、光達、影像感測器等多種感應裝置判別各種危險場景,雖然有國際大廠透過無人車上路的方式蒐集場景資料,這麼做最實際,卻也最曠日廢時,花費的時間、金錢難以估計,最重要的是,有些場景還是無法蒐集到。模擬軟體可以成為相對省時省錢又省工的替代方案,比方Ansys VRX軟體可以自行定義各種場景,模擬大太陽或晴天,以確認感測器是否能正確判斷路人過馬路等場景。



圖二 : Ansys VRX軟體可以模擬大太陽或晴天,以確認感測器功能。(source:Ansys)
圖二 : Ansys VRX軟體可以模擬大太陽或晴天,以確認感測器功能。(source:Ansys)

此外,Ansys也提供系統設計平台Twin Builder,工程師可以結合各類元件與子系統設計,如電路板、馬達、結構、熱、應力影響與各種感測器特性,做元件等級到系統等級的模擬,比方雷達用HFSS、光達用Lumerical、影像感測器用VRX提供完整的模擬解決方案。


光寶科技之前使用的光學分析軟體解決方案僅能提供數據列表,工程師必須對數據進行數學運算,轉換為圖形報告,並將結果告知員工和客戶,處理數據和準備客戶溝通報告通常需要一周的時間。後來使用Ansys SPEOS的直觀 3D平台,用光學指標描述系統性能,包括動態失真、重影、視覺差異和圖像銳度以確定汽車HUD虛擬圖像的品質。光寶科技智能汽車設計經理Mping Lai表示,Ansys SPEOS可立即顯示3D環境數據的光學分析,顯著提高溝通和協調效率。


模擬軟體的整合運用

半導體進入「後摩爾定律」世代,奈米、異質整合技術複雜度越來越高,為確保設計品質、縮短開發時程,更需要模擬分析工具助一臂之力,由於熱、電、磁、力效應會交互作用與影響,單一領域分析已不敷使用,取而代之的是多物理(Multiphysics)模擬工具。以先進封裝技術來說,散熱會影響電性,需要電─熱耦合分析,熱源也可能導致結構應力變形,需要一併納入分析。



圖三 : Ansys多物理場解決方案已獲台積電N3和N4製程技術認證。圖為台積電12吋廠員工正在進行晶圓的生產檢驗。(source:台積電)
圖三 : Ansys多物理場解決方案已獲台積電N3和N4製程技術認證。圖為台積電12吋廠員工正在進行晶圓的生產檢驗。(source:台積電)

對於未來科技的擬真發展及應用,魏培森認為,第五代行動通訊(5G)、物聯網(IoT)、無人自駕車(ADAS)、數位分身(Digital Twin)等新技術都有一個共通點:數位轉型(Digital Transformation),工程師需要透過各種數位化技術將文件資料、無線傳輸、機械控制、感測器回饋等物理現象轉換成數位資料,使用計算機運算技術加以處理、模擬、分析及最佳化,當資料量大或太過複雜時就不適合人為判斷,所以要運用新的資料處理技術,如大數據(Big data)、機器學習(Machine learning)、人工智慧(AI)甚至雲端計算(Cloud)加以輔助,也是未來的重要發展趨勢。


在此趨勢下,仍有多物理模擬技術問題、設計流程與雲端計算等問題有待克服,對此,Ansys的多物理技術可以將電壓、電流、電磁波、熱、應力、場景、電池等物理現象以模擬方式呈現,即工程設計數位化,之後可以搭配機器學習(Machine learning)、人工智慧(AI)甚至雲端計算(Cloud)等技術,讓產品達到設計創新及最佳化需求,同時縮短設計週期。


此外,許多企業在工程數位化的過程中是跨部門、跨國協作,甚至異業結盟,機密資料的同步、管理與流暢交換非常重要,比方美國的電性設計工程師設計晶片到台灣設計工程師設計封裝,再到日本做整機系統設計,如何同步最新設計、哪些人可以被授權觀看最新設計、如何記錄不同版本的修改項目,以及專案設計流程與進度管理,每個流程在數位化過程中都非常重要。



圖四 : Zemax OpticStudio模型的廣角視野相機可用於自駕車傳感器和無人機等應用。(source:Ansys)
圖四 : Zemax OpticStudio模型的廣角視野相機可用於自駕車傳感器和無人機等應用。(source:Ansys)

前進光傳輸模擬領域

除了自行開發軟體,建構多物理分析平台外,Ansys未來將繼續推動雲端服務,透過機器學習演算法等方式強化分析工具,提高效能,透過併購方式累積技術能量,Ansys於2019-2020年分別購併了時序分析工具業者CLK-DA、SI/PS模擬業者SPISim、材料管理業者Granta、系統電磁和噪音分析Helic、光子設計工具業者Lumerical等,2021年則併購Phoenix、Zemax。


「未來,光纖傳輸是重要的發展方向,」魏培森說,Ansys已經整合無線通訊技術到衛星通訊技術、一般銅導體傳輸通訊到光通訊等技術,也已經掌握晶片等級的AiP(Antenna in Package)天線技術、5G陣列天線設計(Array Antenna)及衛星天線設計技術,「從半導體的矽晶圓(Silicon)到有機基板封裝,再到極低損耗的光纖,從元件到系統,從單一物理到多物理發展,持續開發最新、最先進的產品。」


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