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)

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)

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)

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)

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。」