在傳統的IC設計流程裡，當晶片設計者完成線路布局(Place & Route)後，下一個步驟就是要藉由模擬來確認晶片設計是否能如預期運作，此一步驟又稱為設計簽核(Design Signoff)。由於先進製程的一次性工程成本(NRE)十分驚人，為了避免產品在投片後才發現問題，白白浪費時間與金錢，因此許多IC設計者都會在設計簽核階段非常小心地審視自己的晶片設計，以求萬無一失。
然而，隨著半導體製程線寬越來越細微，很多原本不被認為會引發問題的物理現象，都開始干擾晶片的正常運作。前幾年某晶片設計大廠的應用處理器，就發生過出貨後晶片無法穩定運作，需增加供電電壓才能恢復正常的事件。
業界一般認為，此問題的出現，跟電晶體密度過高引發的壓降(IR Drop)脫不了關係。IR Drop是一個典型的物理現象，跟電晶體的內阻有關。當電晶體數量太多，就像一個串聯電路上串連了太多燈泡，超過供電的負荷能力後，燈泡的亮度會因為電壓不足而變暗。也因為如此，在此事件之後，每年EDA工具商所舉辦的論文評選活動，討論IR Drop議題的論文總是能拿到前三名大獎。
先進封裝技術的普及，更使得晶片業者在開發產品時，必須考慮到更多更複雜的物理問題。例如多晶片封裝引發的機械結構問題，以及整合了天線的毫米波元件，必須審慎檢視電磁場的場型分布等。這些趨勢都使得多物理模擬開始在EDA工具流程中，扮演更舉足輕重的角色。
多物理模擬成為EDA必備工具
安矽思(Ansys)資深技術經理魏培森(圖1)表示，真實世界本身就是一個由多重物理現象所構成的世界，就像高品質的汽車頭燈設計，考量的不只有亮度、聚焦與發光效率，更多的輔助設計是在處理濕度與高溫造成的問題。
晶片設計的情況也是一樣，隨著晶片的微型化與複雜度與日俱增，不單只是電源一致性(Power Integrity, PI)、訊號一致性(Signal Integrity, SI)與時序(Timing)等傳統設計簽核所包含的項目，在先進封裝興起的當下，異質結構的整合、散熱問題、熱形變、撞擊甚至是電磁干擾(EMI)的設計，也是目前晶片設計者在開發晶片時，必須要考慮的重點項目。
更複雜的是，這些物理問題往往彼此耦合，牽一髮動全身。例如電的損耗會轉變成熱能，熱則會造成晶片或模組的溫度上升，倘若溫度上升不均勻，還會造成型變，變成機械結構的問題，進而影響晶片的可靠度與使用壽命。這些都是目前晶片設計者目前所遭遇的多重物理挑戰。
益華電腦(Cadence)資深技術經理白育彰(圖2)則表示，由於晶片設計日益複雜，EDA工具的使用者對多物理模擬工具的需求，確實在近幾年逐步走強。在拜訪IC設計相關客戶時，很多用戶均提出與多物理模擬相關的需求。
事實上，Cadence在很多年前就已預見多物理模擬對EDA工具的重要性，並在2012年購併Sigrity，從SI領域切入多物理模擬後，持續擴張自身在多物理模擬領域的產品線。目前Cadence內部已將多物理模擬工具，包含Sigrity、Celsius、Clarity等劃歸為多物理系統分析(MSA)部門，以整合研發資源，強化業務推動。
多物理問題彼此耦合 工具必然平台化
由於真實世界裡的各種物理現象彼此間往往存在複雜的連動關係，因此多物理模擬工具必然要走向整合，才能幫使用者解決問題。
魏培森指出，現有的IC設計流程大多只有考慮到電氣行為的分析，也就是傳統的PI、SI跟Timing，對於物理特性的模擬並沒有完整的設計流程。這些都是全新的設計流程，也都正是Ansys現在正在著墨的。
首先，原來2D的思維要變成3D，傳統IC電氣分析都是2D的、都是平面的，但是眼前的物理現象都是3D的，熱的擴散、應力的變化都是3D的，所以模型必須改變。其次，材料資料庫要增加，包含熱阻係數、熱傳導率、比熱、密度、彈塑性、楊氏係數等材料特性的參數，都要納入資料庫。
此外，跟電氣行為的模擬相比，多物理模擬的維度也大不相同。像是穩態、暫態、線性、非線性等型態的模擬，以及如何建立熱源模型、模擬電-熱轉換，都是多物理模擬必須思考的問題。
有鑑於各種不同的物理現象之間，存在著千絲萬縷的連動關係，ANSYS首先提出Workbench設計平台，整合大部分的現有技術，提供熱、電、應力多物理的整合模擬平台，客戶可以Workbench上呼叫Ansys各種電、熱、應力旗艦產品，先進行單一物理現象的模擬，亦可以在平台上互相串連，如電損耗的輸出當成熱分析的輸入、熱分布的結果變成應力計算的能量不均勻分布，一環接一環得到最接近真實物理世界的模擬結果。
在晶片等級的分析上，除了aedt(ANSYS Electrical DeskTop)可以當作共模擬平台外，考量CPS(Chip、Package、System系統)各有各的設計know-how，彼此間不容易分享與取得最完整的3D模型進行資料串聯，ANSYS也提供CTM(Chip Thermal Model)、CPM(Chip Power Model)、CSM(Chip Signal Model)等標準模型格式，讓各個領域能有非常方便的共模擬模型。
白育彰則表示，Cadence的多物理模擬工具產品組合，也正在以平台化的模式不斷擴張中。除了處理SI、PI問題的Sigrity、負責熱模擬的Celsius，以及跟電磁(EM)有關的Clarity等獨立工具還會持續增添更多新功能外，跨工具的整合跟串聯，也是Cadence正在努力的方向。舉例來說，針對大尺度電磁模擬，主要是射頻(RF)相關設計，Clarity很快就會有新的功能發布。未來Cadence還會進一步推出光學跟應力有關的模擬工具，以滿足用戶需求。
但由於Cadence本身還有很強大的前段設計工具，因此除了水平方向的平台化之外，Cadence的多物理模擬工具其實更注重與前後段設計工具的整合。例如將模擬的結果跟前段設計工具串聯，讓客戶能更快完成產品設計。畢竟客戶不是為了模擬而模擬，而是為了晶片的製造才進行模擬。把模擬的結果跟設計工具無縫銜接起來，提高設計工程師的生產力，是Cadence獨特的競爭優勢。
由Cadence與Ansys的產品發展策略，可看出不同公司由於所處產業地位的不同，採取的策略也會大異其趣。Cadence顯然是將多物理模擬作為EDA流程中越來越重要的一環來經營，因此強調的是與前後段工具的整合，Ansys則是老牌的多物理模擬工具大廠，因此著眼點在不斷強化多物理模擬解決方案的涵蓋率，並且對於跟其他EDA公司的合作，抱持著開放態度。兩種策略取向有不同的優勢，但也有其弱點。IC設計者如何評估跟選擇，將是需要仔細思量的課題。
