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欢迎来到跨领域物理模拟时代
真还要更真

【作者: 季平】2021年10月05日 星期二

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工业4.0的核心为虚实整合,模拟软体是关键工具之一。工业模拟软体是将实体模组转化成资料,整合到虚拟体系中,在虚拟体系中模拟现实作业中可能遭遇到的每项工作与流程,可以协助建模分析、虚拟实境交互,以及评估各项参数效果,已被广泛应用于研发设计、生产制造、服务管理等流程。


模拟工具结合大数据、虚拟实境等先进技术,可以预先展示想法及发掘问题,节省成本,比方离岸风机故障,模拟软体可以预知可能是哪里出错、需要带何种工具,而不是在什么都不知道的情况下直接开船到现场。


虚拟与现实的桥梁:模拟软体发展趋势

计算机辅助4C系统包含电脑辅助设计(CAD)、电脑辅助工程(CAE)、电脑辅助制程规划(CAPP)、计算机辅助制造(CAM),广泛应用于电子、航空、航天、机械、汽车、建筑、造船、生医等领域。


在产品制造之前,CAD可以建立产品的数位2D工程图和3D模型,透过3D CAD可以检视、模拟和修改设计,有助新产品快速问世;CAE可以用来分析计算复杂工程(生产)的动静态力学性能,以及流体、电磁等结构性能,以利优化设计;CAPP是利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等功能,以制定零件或机械的加工过程;CAM是利用电脑分析、模拟、设计、绘图,并制定生产计划、制造程序以控制生产过程,确保生产品质。


模拟软体主要指电脑辅助工程(CAE)软体。随着3D、虚拟实境、大数据、边缘运算等新技术导入工业模拟领域,软体与工业实务应用更紧密,模拟软体也成为工业软体发展重点。 CAE软体可分为通用类软体系统和专用类软体系统,前者涵盖及应用范围广,可以分析、模拟、预测、评价及优化多种工程、产品的物理力学性能,维持技术创新;后者锁定特定领域工程、产品,执行性能分析、预测及优化。


通用类CAE软体不少,如Ansys锁定有限元分析(FEA)、计算流体动力学、电子半导体、嵌入式软体和设计优化等领域;Abaqus/Explicit也是有限元分析技术,适合模拟瞬间动态事件,如消费电子产品摔落测试、汽车耐撞性测试等,其他如汽车领域常用的Hypermesh、简单易学的ALGOR、运算速度快的COSMOS、航天领域常用的Nastran,以及可以透过原始码改造程序的ADINA等多款软体,各有特色。


模拟软体的跨领域挑战

Ansys是工程模拟技术(Pervasive Engineering Simulation)的全球领导者,成立之初以结构分析为主,后来陆续成立与并购流体、应力、电磁场、光、材料与系统设计业者,成为全球最大的工程模拟软体公司,旗下专业软体市占率多名列前茅,如


流体(Fluent)、电磁场(HFSS)、结构(Dyna)、系统认证(SCADE)、电磁感应(Max?well)、可靠度(Sherlock)、材料(Gran?ta)等。 Ansys的竞争优势在多场耦合,尤其是物理场耦合,多年来深耕台湾半导体市场。


Ansys技术总监魏培森指出,只考虑单一物理领域设计是不够的,以智慧型手机来说,晶片是核心,手机功能越来越多、功耗越来越高,电流传输因为金属导体损耗(Loss)所产生的热效应无可避免,需要进一步考虑电流损耗所带来的热效应,「除了好的散热设计,也须考虑不均匀热分布而造成结构或晶片连接处的变形,这些都会造成可靠度的问题。」电的损耗会形成热、热效应,造成形变,形变又会造成结构破坏或接触问题,有一贯性与因果效性,「最佳化的设计需要从源头开始,从晶片等级一直到系统等级。」



图一 : Ansys技术总监魏培森。 (source:Ansys)
图一 : Ansys技术总监魏培森。 (source:Ansys)

魏培森观察,目前模拟软体的痛点有二:一是多物理耦合问题,二是快速准确需求,就算是1990年FHSS要花16个小时的计算时间才能得出结果,如今靠新的演算方式只要3.9秒就算出来,客户端还是希望再快一点,「客户端面临到的问题越来越复杂,希望新的软体或演算法要又快又准,但在快跟准之间我们会认为维持准确度更重要。」


早期工程师只能依据假设性边界条件做设计,如模拟热问题时,系统工程师只能估计晶片产生若干瓦热,假设这些热源均匀,然后概算风扇效率等数据,做到一定程度的设计,可是当面临更准确的模拟需求,甚至是跨领域设计需求时,这些假设是不够用的,会遭遇到相当多问题,「特别是近年来产品小型化、多功能需求成趋势,系统设计更趋复杂,举凡系统等级的晶片设计(SoC)、智慧型手机(Smart Phone)、无人自驾车(ADAS)甚至卫星系统(Satellite)都面临电、热、应力等多物理与跨领域的设计挑战。」


现有模拟技术多半是单一领域,遇到跨领域问题时挑战很大,魏培森说,「跨领域意味着计算公式与理论基础完全不同(Domain Knowledge),如今工程师们所遭遇到的问题不但是多领域,还包含多领域耦合,常常需要有叠带,不仅准确度要求更高,计算时间也要求更短,才能符合实务需求。」比方电-热效应如何转换、会如何互动、有哪些效应可忽略、哪些效应必须特别考虑……等都需要纳入考量,对于模拟软体来说都是新的挑战及开发项目。


如何将真实环境带入数位环境中,满足使用者「真还要更真」的需求?以无人自驾车(ADAS)设计为例,场景的收集是重要的关键技术,因为无人车上路有可能遇到晴天、雨天、下雪等场景,需要雷达、光达、影像感测器等多种感应装置判别各种危险场景,虽然有国际大厂透过无人车上路的方式搜集场景资料,这么做最实际,却也最旷日废时,花费的时间、金钱难以估计,最重要的是,有些场景还是无法搜集到。模拟软体可以成为相对省时省钱又省工的替代方案,比方Ansys VRX软体可以自行定义各种场景,模拟大太阳或晴天,以确认感测器是否能正确判断路人过马路等场景。



图二 : Ansys VRX软体可以模拟大太阳或晴天,以确认感测器功能。(source:Ansys)
图二 : Ansys VRX软体可以模拟大太阳或晴天,以确认感测器功能。(source:Ansys)

此外,Ansys也提供系统设计平台Twin Builder,工程师可以结合各类元件与子系统设计,如电路板、马达、结构、热、应力影响与各种感测器特性,做元件等级到系统等级的模拟,比方雷达用HFSS、光达用Lumerical、影像感测器用VRX提供完整的模拟解决方案。


光宝科技之前使用的光学分析软体解决方案仅能提供数据列表,工程师必须对数据进行数学运算,转换为图形报告,并将结果告知员工和客户,处理数据和准备客户沟通报告通常需要一周的时间。后来使用Ansys SPEOS的直观 3D平台,用光学指标描述系统性能,包括动态失真、重影、视觉差异和图像锐度以确定汽车HUD虚拟图像的品质。光宝科技智能汽车设计经理Mping Lai表示,Ansys SPEOS可立即显示3D环境数据的光学分析,显著提高沟通和协调效率。


模拟软体的整合运用

半导体进入「后摩尔定律」世代,奈米、异质整合技术复杂度越来越高,为确保设计品质、缩短开发时程,更需要模拟分析工具助一臂之力,由于热、电、磁、力效应会交互作用与影响,单一领域分析已不敷使用,取而代之的是多物理(Multiphysics)模拟工具。以先进封装技术来说,散热会影响电性,需要电─热耦合分析,热源也可能导致结构应力变形,需要一并纳入分析。



图三 : Ansys多物理场解决方案已获台积电N3和N4制程技术认证。图为台积电12寸厂员工正在进行晶圆的生产检验。(source:台积电)
图三 : Ansys多物理场解决方案已获台积电N3和N4制程技术认证。图为台积电12寸厂员工正在进行晶圆的生产检验。(source:台积电)

对于未来科技的拟真发展及应用,魏培森认为,第五代行动通讯(5G)、物联网(IoT)、无人自驾车(ADAS)、数位分身(Digital Twin)等新技术都有一个共通点:数位转型(Digital Transformation),工程师需要透过各种数位化技术将文件资料、无线传输、机械控制、感测器回馈等物理现象转换成数位资料,使用计算机运算技术加以处理、模拟、分析及最佳化,当资料量大或太过复杂时就不适合人为判断,所以要运用新的资料处理技术,如大数据(Big data)、机器学习(Machine learning)、人工智慧(AI)甚至云端计算(Cloud)加以辅助,也是未来的重要发展趋势。


在此趋势下,仍有多物理模拟技术问题、设计流程与云端计算等问题有待克服,对此,Ansys的多物理技术可以将电压、电流、电磁波、热、应力、场景、电池等物理现象以模拟方式呈现,即工程设计数位化,之后可以搭配机器学习(Machine learning)、人工智慧(AI)甚至云端计算(Cloud)等技术,让产品达到设计创新及最佳化需求,同时缩短设计周期。


此外,许多企业在工程数位化的过程中是跨部门、跨国协作,甚至异业结盟,机密资料的同步、管理与流畅交换非常重要,比方美国的电性设计工程师设计晶片到台湾设计工程师设计封装,再到日本做整机系统设计,如何同步最新设计、哪些人可以被授权观看最新设计、如何记录不同版本的修改项目,以及专案设计流程与进度管理,每个流程在数位化过程中都非常重要。



图四 : Zemax OpticStudio模型的广角视野相机可用於自驾车传感器和无人机等应用。(source:Ansys)
图四 : Zemax OpticStudio模型的广角视野相机可用於自驾车传感器和无人机等应用。(source:Ansys)

前进光传输模拟领域

除了自行开发软体,建构多物理分析平台外,Ansys未来将继续推动云端服务,透过机器学习演算法等方式强化分析工具,提高效能,透过并购方式累积技术能量,Ansys于2019-2020年分别购并了时序分析工具业者CLK-DA、SI/PS模拟业者SPISim、材料管理业者Granta、系统电磁和噪音分析Helic、光子设计工具业者Lumerical等,2021年则并购Phoenix、Zemax。


「未来,光纤传输是重要的发展方向,」魏培森说,Ansys已经整合无线通讯技术到卫星通讯技术、一般铜导体传输通讯到光通讯等技术,也已经掌握晶片等级的AiP(Antenna in Package)天线技术、5G阵列天线设计(Array Antenna)及卫星天线设计技术,「从半导体的矽晶圆(Silicon)到有机基板封装,再到极低损耗的光纤,从元件到系统,从单一物理到多物理发展,持续开发最新、最先进的产品。」


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