Ansys Simulation world，掌握模擬技術帶來的成功
- 劉中興／台北
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面對充滿不確定性的現實環境，韌性與彈性是未來企業發展所需的核心能力。如何善用模擬技術帶來的優勢，在虛擬世界中更快地驗證產品設計，找到最理想的解決方案，則是每一家追求韌性與彈性的企業，無法迴避的課題。在Ansys Simulation world 2022用戶大會期間，多家來自不同領域的用戶分享了大量成功範例，不僅展現出多物理模擬技術結合大數據分析的威力，同時也讓企業在探索新產品、新市場的過程中，能更輕鬆地駕馭種種不確定因素，實現「Take a leap of certainty」的目標。
Ansys的Simulation World 2022用戶大會台灣場自10月3日起為期五天的議程，從半導體製程研發、IC 設計到電子設備、系統模擬，乃至於電動車與離岸風機等複雜系統的多物理模擬。Ansys提供的模擬技術已成為研發人員手上不可或缺的工具，透過用戶的現身說法，展示在光學分析、電子模擬、5G高速傳輸、IC設計、先進封裝、電力電子、電動車與載具的成功範例，工程團隊能在工程設計與產品開發上，發揮到最大的潛力，並讓多物理模擬技術成為落實工程創意的成功搖籃。
高頻、高速與晶片封裝的熱模擬的應用對策
因應5G通訊發展，高速數位訊號傳輸是工程師們所遭遇到的棘手問題，這不但牽涉到多領域耦合，常常需要設計、模擬與測試的迭代（Iteration），不斷燒腦想出解決方法，不僅準確度要求更高，模擬與資料運算的時間也要求更短，才能符合實務需求，針對晶片堆疊3D封裝及系統級封裝（SiP）等議題都彰顯高頻材料的開發與系統分析的重要性。
以下是Ansys在高頻、高速與3D-IC封裝的主題中的幾個主要的訴求與摘錄。
自動化流程PyAEDT增加生產力
Ansys用Python語言所開發出的PyAEDT，是一套可串連前、後處理之間數個模擬作業的自動化流程。藉由PyAEDT的幫助，工程團隊可達成提高生產力，加快設計迭代的目標。PyAEDT可為工程師提供一個簡便、高效率的一體化設計流程，以解決高階陣列天線設計的嚴峻挑戰，舉凡3D建模、天線陣列模型優化、模擬等流程可以利用Python程式語言的使用，搭配模型參數化的建立，加上使用代理模型與優化所得到多種排列組合的設計，再輔以Ansys強大的模擬工具的整合。
這次使用者大會中，Ansys邀請了中央大學助理教授歐陽良昱，展示其利用PyAEDT工具進行5G陣列天線設計模擬的成果。透過寫好的Python程式，中央大學團隊只需幾秒鐘，就可以藉由自動化流程快速做一個簡單陣列天線的設計雛形，在進而用AI演算法來做最佳解的調整，這對於日漸複雜的5G陣列天線的設計模擬流程，提供一個強大的設計工具。
而在Jabil分享的範例中，則可以看到針對伺服器機櫃的震動與摔落設計的模擬，使用自動化的流程從CAD軟體、資料建模、Ansys的求解器（Solver）與最後的報告產生，一氣呵成，兼具速度與效能的表現。
加密保護機制以保護連接器等設計的安全性
連接器廠商Samtec則分享了使用HFSS加密模型的經驗。藉由將元件內的細部設計進行加密保護，Samtec可以在確保重要機密資訊不外流的前提下，同時滿足客戶對產品進行驗證跟進行後續設計整合的需求。在提供HFSS加密的模型檔案之後，Samtec的客戶可以將加密模型整合到自家的開發與驗證環境中，對整個系統設計進行模擬跟確認，卻又不需要知道Samtec產品的內部機密資訊。
這個加密功能可用來保護不同技術的細節與專利IP，Ansys提供這個模型加密機制，雖然只提供其產品的使用，但是讓用戶的關鍵設計可以獲得保障，讓用戶有更大的信心打造更複雜的設計，並推廣到更多元件的未來開發專案上，這些加密的技術可以讓不同的零件之間，更類似於發揮疊積木方式，把諸如PCB、軟板、高速連接器、AIP天線等元件的細部設計隱藏加密起來，但是對於隨後的分析仍可以持續進行。
Ansys 推廣Mesh Fusion技術
SI/PI/EMI分析技術，透過複雜的布線（Layout）與使用Mesh Fusion(網格融合）技術，將不同元件的3D資料與格式加以整合與使用，這牽涉到包括Phi-mesh/Classic-mesh與TAU-mesh等各種技術與不同形狀的連接器、PCB的整合模擬與分析，使用Ansys的Mesh Fusion技術加以區別與劃分，接續再縫合，以打造快速的計算與模擬技術。
Totem用於類比IC的EM/IR的設計整合
IC設計非常關注電-熱效應的轉換與各自互動所產生的加乘熱效應的影響，這次的用戶的使用範例中見識到Totem用於類比IC的EM/IR的設計整合的模擬與價值，以群聯電子（Phison）開發車用晶片的案例為例，車用半導體對可靠性有極嚴格的要求，因此對控制晶片中自發熱現象與EM影響的模擬，重要性愈來愈高，因為溫度影響車用系統的穩定性，而且產業的要求也愈來愈嚴苛。在晶片設計簽核之前，做熱模擬與驗證成為必須，透過EM模擬的流程，送達最後模擬報告結果，傳統上的工具每次要5天，但是用Totem只要2天就可以重複執行模擬的時間，所以Totem的使用在時間上的節省非常被業界所推崇。
從電源管理（PMIC）的模擬，也能看到使用Totem所帶來的效益。做為從RDL層與PowerMOS的幾個參數的模擬，由於Totem提供了簡明易懂且方便使用的GUI介面，設計團隊只需花10分鐘執行模擬，就能快速獲得導通電阻、敏感度Sensitivity的模擬報告，進而掌握晶片的溫度變化，滿足汽車產業的要求。
段標:RedHawk-SC數位IC平行化處理與效能改善
3D IC的多物理模擬的範例因為是當紅的領域，看到包括創意電子分享多個HBM3記憶體的3D-IC的設計案例，為了達到7.2Gbps的高速傳輸的速度，設計團隊必須針對信號完整性（Signal Integrity）及功率完整性（Power Integrity）進行完整的模擬需求。採取HFSS_3D + RaptorX 用於包括Chiplet小晶片設計與整合，兼具高頻效應的模擬，找到設計優化的分析。
展示了從分析發熱效應的來源，善用改善阻抗的設計來做設計上的優化，當中看到使用RedHawk-SC數位IC平行化處理與效能改善的做法，也可以從慧榮科技（Silicon Motion）的範例中看到更多的展示。
3D-IC聚焦於晶片、封裝與系統的多物理量的模擬
瑞昱（Realtek）的案例看到從3D-IC用多個Die堆疊時，容易把熱聚集在某些點上，造成溫度上升。加上製程中金屬層的線徑變的更細，讓EM的問題變得更為惡化，晶片封裝後的效能也會受到很大的影響。因此，瑞昱團隊在對晶片進行熱分析時，使用Totem與RedHawk-SC、Icepak等多種工具，對Die、封裝到PCB進行了全面的模擬。這些模擬工具之間的數據是相容的，上一層資料可以匯入接續的模擬工具來使用，所以不同的階段的模擬可以串聯，讓整體產品的穩定性更好。
電力、電子與車用領域的多物理模擬，打造未來更寬廣的機會
車用電子的蓬勃發展，加上電氣化（Electrification）的發展趨勢，不僅讓台灣汽車電子供應鏈上的眾多廠商有了更大的發揮空間，同時也外溢到腳踏車、機車等其他領域。諸如電動腳踏車、電動機車等應用興起，就是最好的例子。對馬達等核心零組件的製造商而言，如何開發出能符合安全規範要求，又適合不同載具使用的電動馬達，是產品開發上的一大挑戰。藉由Ansys提供的模擬工具，馬達開發商可以快速又低成本地探索各種設計方案，並不斷精進、改良自己的產品設計，滿足客戶的嚴格要求。
對電動載具所使用的馬達而言，有幾個重要的設計指標，分別是更大的輸出功率、更安靜、更好的散熱性與更具競爭力的成本結構。Ansys的多物理模擬平台可以涵蓋電磁場、機械應力、聲學與散熱等不同的物理分析範疇，而且不同工具之間可以無縫串接，這讓設計團隊可以輕鬆進行分工協作。台達電、Gogoro、自行車的曲柄設計與車用電機的成功設計案例，就是最好的證明。
另外，在電力、電子與多重物理的領域，看到台達電等電源供給器大廠，為了功率效率的提升，從熱、機械震動結構、電磁場的分析扮演關鍵要角，在IGBT等主動元件的模擬，以及變壓器在設計上所佔的空間大小、效率提升都透過不同的物理的模擬，產生新的產品發展方向。
電氣化的未來不僅帶來更多新的應用產品，同時也會對電力基礎設施帶來全新的考驗跟挑戰。例如電動車的車載充電器、充電樁，未來都將會是智慧電網中的關鍵元素，並對電網的正常運作造成深遠影響。要確保這些關鍵基礎設施的可靠度，設計者必須在產品研發階段就對產品的可靠度進行徹底的模擬分析跟潛在失效原因的風險評估，Ansys的Sherlock就是這類分析工作的黃金工具。
這次的多物理模擬的案例中也看到離岸風電的結構分析模擬的範例，對於接下來的綠電與綠能裝置的模擬分析也揭開更寬廣的序幕，誠如Ansys的執行長在整場活動的引言所說的，透過Ansys的模擬工具讓科技的創新帶來信心，模擬工具激勵企業的數位轉型，透過模擬讓渾沌未知可以成為明確，知曉自己的限制與界限，對未來產生有效的預知與理解，掌握明確的未來發展的同時，也對未來的充滿了信心，而一年一度的用戶大會所展現的範例，將成為這個說法的最佳證明。
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