2024開年沒多久，一則新聞發布震撼了整個電子產業界。全球市佔率最高的EDA公司新思科技（Synopsys），與最大的工程模擬技術公司安矽思（Ansys），共同宣布了合併的消息，將由新思科技出資350億美元，把安矽思納入旗下。

兩個月之後，排名第二的EDA商益華電腦（Cadence Design Systems）也宣布了一起的收購案，表明已與BETA CAE Systems International AG達成收購協議。BETA CAE是一家工程模擬方案的供應商，專精於汽車、航空航太、工業與醫療保健的系統分析。而這已是近5年來，Cadence針對模擬技術方案所發動的第4個併購案。

至於西門子（Siemens EDA），由於本身已經在工程模擬領域耕耘多年，具備一定程度的模擬技術，反倒是較為欠缺在IC設計軟體上的實力，因此在2023年收購了Insight EDA，並持續強化在3D-IC設計的熱分析方面的產品線。

從這些EDA大廠近期頻頻的動作，就可以看出具備多物理模擬技術已是現在電子系統與半導體設計不可或缺的一環，而它涉及的領域與範疇仍在不斷的擴大。

什麼是多物理模擬？

那到底什麼是多物理模擬模擬呢？所謂的多物理模擬，英文為「Multiphysics　Simulation」，是指在電腦模擬中，同時考量多種物理現象之間的相互作用與影響，並對其進行分析與預測的技術。這些物理現象可能包括：

‧ 結構力學：物體在受力下的變形、應力分布等。

‧ 流體力學：流體的流動、壓力、溫度變化等。

‧ 熱傳學：熱量的傳遞、溫度分布變化等。

‧ 電磁學：電場、磁場、電流分布等。

‧ 化學反應：化學物質之間的反應、物質濃度變化等。

事實上在現實世界中，許多工程與科學問題都涉及多種物理現象的耦合作用。例如，手機在運作時，除了電路中的電磁現象，還會有元件發熱、外殼受力等問題。透過多物理模擬才能更全面地模擬這些複雜的交互作用，幫助工程師、系統開發人員，以及科學家們更深入地了解問題，並設計出更優良的產品和解決方案。

多物理模擬的發展歷史可以追溯到20世紀中期，隨著電腦技術的進步，科學家和工程師開始嘗試用數值方法解決複雜的物理問題。幾個重要的里程碑，如下表。

總體而言，多物理模擬的發展歷史是與電腦技術、演算法和工程需求緊密相連的。

多物理模擬與電子元件設計的關係

傳統的電子系統或者晶片設計，都是採用EDA軟體工具為主，並沒有包含多物理模擬的流程，驗證跟測試都是屬於設計完成之後的步驟。但隨著電子系統的功能越來越多，相應的其中的半導體IC與零組件的複雜度也越來越高，因此設計端就必須要考量更多物理層面的因素，除了能增加生產的良率外，更重要的，是可以降低整體的生產成本與開發的時程，同時也能進一步提升產品的性能與品質。

Cadence多物理系統分析事業群產品工程處處長施嘉文表示，現在開始使用多物理模擬工具，並不代表過去沒有多物理模擬的需要。事實上，這些雜訊與熱的問題一直都存在，只是過去可以忽視它。但到了現代，裝置的功能與複雜度已不可同日而語，其中電子元件與半導體晶片的設計之精密，過多的雜訊與干擾都可能會對系統電路造成嚴重的影響，甚至是失效的情況。

由此可知，電子系統設計所以走向多物理模擬，幾乎是必然的過程，尤其是近十年的半導體技術演進之快，微縮與封裝的發展可說是日進千里，納入多物理模擬的設計流程顯然是必經之路。

圖一 : Cadence多物理系統分析事業群產品工程處處長施嘉文

Ansys台灣區總經理李祥宇也描繪了相同的發展脈絡，但更實際的是整體設計流程的需要。他表示，科技的發展是由人們的需求所驅動的，這個需求會產生一個系統裝置的概念，而它也需要零組件的搭配來實現。但系統裡的零組件是相互影響的，之間有任何一個環節出錯，都會對系統帶來危害。

他也舉AI伺服器為例，指出目前AI伺服器有功耗很高的問題，衍生而來的就是散熱的問題。但若只是從單一方面去解決，例如只解決功耗的問題，但卻遺漏了其他。這對整體系統來說，並沒有幫助。因此透過多物理模擬的方式，來對整體系統進行評估才是最可行的方式。

特別是現今的科技越來越進步，因此更多的物理面向的因素就必須被考量進來，光只是電訊號的議題已不能滿足當代的設計需求，包含熱、結構、以及應力的問題都要納入。

「以前我們可能只會考慮電的問題解決，誰會去管結構的問題，可是現在不一樣了。現在的功耗越來越大，然後從電的耗損產生出來的熱越來越大，它會影響到系統的效能，同樣的道理，放到IC晶片的角度，則是會影響封裝結構的問題。」李祥宇強調。

圖二 : Ansys台灣區總經理李祥宇

所以具體來說，從電子元件的運作需求來看，多物理模擬至少要針對以下的項目來進行優化：

‧ 熱管理：電子元件在工作時會產生熱量，過高的溫度會影響元件性能，甚至導致損壞。多物理模擬可以分析元件的溫度分布、散熱效果，幫助工程師設計出更有效的散熱方案，如散熱片、風扇等。

‧ 結構強度：元件在製造、運輸和使用過程中會受到各種機械應力。多物理模擬可以評估元件的結構強度、疲勞壽命，確保元件在各種環境下都能正常工作。

‧ 電磁兼容性（EMC）：元件運行時會產生電磁輻射，同時也容易受到外部電磁干擾。多物理模擬可以分析元件的電磁場分布、輻射強度，幫助工程師設計出符合EMC標準的元件。

值得注意的是，儘管現在所談論的電子系統干擾的因素都是以單一項目切入，例如熱、或者電磁，但現實上，各個物理現象都是同時存在，也因此物理場彼此間「耦合」的狀況也需要考量，也就是相互間的交互作用。而這更是多物理模擬工具現在備受注目的原因。

多物理模擬的應用優勢與設計範例

既然導入多物理模擬是必然的結果，那它究竟可以帶來哪些好處？又適用於哪些應用？

首先，多物理模擬可以分析整個裝置的電、熱、力等多物理場耦合作用，幫助工程師優化裝置的整體性能；再者，就是提高可靠度，因為電子裝置在工作時會受到各種環境因素的影響，如溫度、濕度、振動等。多物理模擬可以評估裝置在不同環境下的可靠性，預測其壽命，為設計和維護提供依據。最後，就是提供故障診斷，當電子裝置出現故障時，多物理模擬可以幫助工程師分析故障原因，找出問題所在，並提出解決方案。

圖三 : 圖為Cadence的熱分析模擬工具。（source：Cadence）

舉例來說：在設計手機時，工程師可以使用多物理模擬分析手機內部晶片的溫度分布，確定是否需要額外的散熱措施；在設計電動車電池時，工程師可以使用多物理模擬評估電池在不同溫度和充放電條件下的性能和壽命；在設計伺服器時，工程師也可以使用多物理模擬分析伺服器內部氣流和溫度分布，優化散熱設計，提高能源效率。

另一個重點應用範例就是5G基地台，透過模擬電磁波與天線結構的相互作用，工程師可以優化天線的輻射方向圖、增益、效率和頻寬等關鍵參數，這對 5G 毫米波天線尤其重要，因為毫米波具有更短的波長，使得天線設計更加複雜。

另一方面，毫米波天線在高功率操作下可能會產生大量熱量，熱模擬可以幫助工程師評估天線在不同工作條件下的溫度分佈，並找出潛在的熱點。此外，天線的結構完整性對其性能有著直接影響，結構模擬可以幫助工程師分析天線在風載、振動或其他機械應力下的變形和應力分佈。

至於在半導體領域，由於微縮技術越來越先進，導致IC晶片因其高密度特性，面臨嚴峻的散熱和電磁干擾挑戰。多物理模擬可有效解決這些問題，透過熱-電-結構耦合模擬，能同時分析IC內部的溫度、電流密度和應力分佈，評估熱效應和電磁干擾對IC性能和可靠性的影響，從而優化IC設計，提升其性能和壽命。此外，電磁兼容性(EMC)模擬則能分析IC的電磁輻射和抗干擾能力，確保其符合EMC標準，避免對其他電子設備造成干擾。

多物理模擬如何導入設計流程

而多物理模擬流程與工具要如何結合到傳統的設計流程之中，則是目前仍在持續發展中，很大的原因就是多物理模擬工具與傳統的設計工具還在整合中。

對此，Cadence多物理系統分析事業群產品工程處處長施嘉文指出，由於產品設計週期縮短、應用日新月異，傳統串行式的設計流程已不敷使用。過去多物理分析常被延後，導致問題嚴重後才發現，交互作用也更明顯。因此，導入「預防重於治療」的觀念很重要，要將多物理分析需求提前至產品初期規劃與後期階段，並壓縮設計流程。

施嘉文進一步表示，解決的方法就是早期介入，在設計初期就納入多物理分析步驟，並邀集相關團隊參與。接著 透過不斷迭代、分析、修正，加速開發流程，最後就是要整合多物理分析，將多物理分析融入設計階段，而非事後補救。

Ansys台灣區總經理李祥宇則認為，設計流程的改變是為了因應應用的變化。隨著科技進步，產品設計需要考量的因素越來越多，例如從過去只考慮電的問題，到現在需要考慮熱的問題，甚至結構問題。設計流程並非一開始就能面面俱到，而是隨著市場或客戶需求的驅動，逐步增加需要考量的因素，流程也隨之變得更複雜。

他指出，研發單位應隨時關注市場動態和科技發展，才能及時調整設計流程。如果是零組件廠商，還需留意下游系統廠的需求。

只不過，在目前的企業中，電路設計與模擬驗證通常由不同的人負責，因為這兩個領域仍是屬於術業有專攻的情況。為解決此分工，有兩種方式：

1.設計流程優化：

‧ 將設計流程劃分為多個步驟，不同角色負責不同階段。

‧ 在特定步驟加入模擬驗證，確認設計符合標準並找出潛在問題。

充分使用模擬工具：

‧ 使用適當的模擬工具進行詳細的模擬驗證。

‧ 結合方便易用的工具流程查看進度，及時調整設計方向。

總結來說，透過優化流程與善用工具，可以讓電路設計與模擬驗證更有效率，並確保設計品質。

圖四 : 圖為Ansys的天線無線電設計與模擬工具。（source：Ansys）

結語

多物理模擬已成為電子系統與半導體設計不可或缺的技術。根據MarketsandMarkets的研究，預計到 2027 年，全球多物理場模擬軟體市場規模將達到54億美元，複合年增長率為10.2%；Research and Markets也預測，到2028 年全球多物理場模擬市場規模將達到 61 億美元，複合年增長率為 9.5%。

這些報告都顯示，多物理場模擬軟體市場在未來幾年將持續穩定成長。

而隨著技術不斷發展和應用領域不斷擴大，多物理場模擬軟體也將在產品設計、開發和優化中發揮越來越重要的作用。儘管目前的設計流程與人員的配置仍在持續變化中，但隨著電子系統複雜度的提高，設計端必須在早期階段就考量更多物理層面的因素，以增加生產良率、降低成本、縮短開發時程，並提升產品性能與品質。

另一個值得注意的趨勢，便是人工智慧（AI）和機器學習（ML）技術的應用，透過結合AI和ML技術能提高多物理場模擬軟體的效率和準確性，並實現更複雜的模擬和分析，而這也是目前物理模擬技術供應商正在積極發展的領域。