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随着芯片复杂性的增加，与物理相关的挑战，包括信号完整性、电源完整性、热完整性、电磁效应和共封装光学器件，正成为关键的限制因素。
这可能会阻碍电子元件的发展，因此 Synopsys 正在致力于开发适用于先进节点和多芯片架构的解决方案，这需要统一的电子设计自动化 (EDA) 和多物理场方法。最终目标是制造出速度更快、成本更低的芯片和系统。
Synopsys 的多物理场融合产品组合将 Synopsys 的 AI 驱动型 EDA 解决方案与 Ansys 的黄金签核分析相结合，涵盖时序签核、设计收敛、多芯片设计和模拟工作流程。这些解决方案已获得市场领导者的验证，可提高预测性并加速 AI 和高性能计算系统的融合。
本文作者与Synopsys公司EDA产品管理执行总监Hany Elhak就此进展进行了交流。他负责Synopsys的模拟和混合信号分析业务，以及Synopsys和Ansys（Ansys于2025年以350亿美元的价格并入Synopsys）共同开发的解决方案。
Elhak 表示，多物理场是一个结合了不同种类物理的概念，例如 Synopsys 通过芯片设计的微观世界所熟知的电物理，以及 Ansys 通过其在宏观世界物理领域的工作所了解的系统物理。
Synopsys EDA产品管理和战略高级副总裁Sanjay Bali在一份声明中表示：“多物理场仿真从根本上重塑了先进半导体设计的工程方式，推动了从成本高昂的过度设计向集成化、系统感知协同设计的转变。我们的Multiphysics Fusion产品组合整合了Synopsys和Ansys的技术，将物理场直接嵌入到数字和模拟工作流程中，使工程团队能够以更少的迭代次数进行跨领域设计，提高生产效率，并为下一代系统优化芯片。”
他表示，“融合”指的是设计流程中不同工具之间更紧密的集成。Elhak指出，过去EDA工具功能各异，彼此之间只有一些价值关联。这些工具层层叠加，从RTL到版图设计，每个步骤都是独立的。现在，这些工具被整合到一个融合架构中，实现了更紧密的集成。Elhak还表示，如今，借助多物理场分析，这种集成将芯片设计工具、系统设计工具和分析工具结合起来，并考虑了热学、液体动力学、功率学、电学等多种物理特性。
“如今，芯片还会受到其他物理现象的影响，”埃尔哈克说。“例如，尺寸非常大的芯片采用两纳米的工艺设计，并部署在数据中心内，这些芯片会受到热效应的影响。因此，热效应和电效应一样，也是物理现象的一种。”
多物理场效应如今更加重要的原因之一是芯片的复杂性，晶体管尺寸不断缩小，并接近物理极限。它们会受到温度、工艺偏差和电压的影响。晶体管比其他电学特性更容易受到物理现象的影响。而且，封装内不再仅仅是一个芯片，而是多个小芯片，每个小芯片执行特定的功能。一个高带宽存储器封装可能由多个芯片堆叠而成。除了电学效应之外，物理因素也会影响这种堆叠结构。因此，工程师需要分析所有这些多物理场效应，而不仅仅是电学效应。
“芯片设计流程全部来自Synopsys，”Elhak说道。“所有多物理场分析都来自Ansys。合并完成后不到一年，我们就实现了这项融合或集成技术，并将其交付给早期采用者进行测试，我们看到他们的设计效率得到了数量级的提升。”
在整个芯片设计流程中实现多物理场感知协同设计
在 Synopsys Converge 2026 大会上提出的愿景基础上，首批多物理场融合解决方案包括由 Nvidia CUDA-X 库（例如 cuDSS）支持的定向 GPU 加速流程：
用于时序签核的多物理场融合：运行速度提升高达 3 倍，并可进行 SPICE 精度的多物理场时序分析。它集成了 Synopsys PrimeTime、RedHawk-SC 和RedHawk-SC Electrothermal，并结合 Synopsys StarRC 和多物理场 HFSS-IC 进行统一的全谱 RC 提取，从而考虑了红外、热和应力效应，提高了裕量并减少了红外引起的时序偏差。
多物理场融合技术助力设计收敛：设计收敛速度提升高达 10 倍，工程变更单 (ECO) 成功率更高，功耗、性能和面积 (PPA) 也得到改善。该技术结合了 Synopsys PrimeClosure 和 RedHawk-SC，将电源完整性嵌入到黄金签核优化中，从而以更少的迭代次数加速收敛。
多物理场融合用于多芯片设计：统一的 Synopsys 3DIC 编译器平台，集成RedHawk-SC、RedHawk-SC 电热和多物理场 HFSS-IC，可同时进行电源完整性、热和电磁分析，从探索到最终定稿，提供早期系统洞察，实现从设计之初就正确的设计。
用于模拟和光子设计的多物理场融合：将 Synopsys Custom Compiler与多物理场 HFSS-IC 集成，用于在模拟设计流程中进行片上高精度电磁分析；并将 Synopsys OptoCompiler 与 Lumerical 集成，从而实现端到端的光子 IC 和共封装光学系统。
我们可以用实际例子来解释这一点。我必须确保我的游戏电脑有足够的空气流通，以免过热。我会确保它远离墙壁，并且房间的门是开着的，这样空气才能流通良好。这是系统层面的设计考量，也是Ansys软件运行的层面。但在芯片层面，同样的散热物理原理也适用。
Elhak说，设计芯片时，必须确保各个晶体管之间的距离足够远，以免相互过热；或者确保金属层足够厚，能够有效地将热量带出系统。系统和芯片的物理特性相结合，就是多物理场工程。
“你现在是在系统层面上描述它，但在晶体管层面上，它与热相关的物理原理是一样的，”埃尔哈克说。
与市场领导者一起展示实际影响力
联发科、三星、思科和英伟达等公司都测试过这些工具。
与领先的半导体和系统公司的早期合作验证了Multiphysics Fusion 解决方案的价值。
联发科副总裁Harrison Hsieh在一份声明中表示：“随着多芯片集成对高性能计算平台的重要性日益凸显，在开发过程早期做出正确的系统级设计决策至关重要。Synopsys Multiphysics Fusion 技术通过统一数字、模拟、光子和多芯片设计的多物理场分析和时序签核，使我们能够更早地洞察硅、先进封装和光学域之间的跨域交互，从而提高可预测性，减少后期返工，并实现比以往快 10 倍的运行速度。”
英伟达计算工程副总裁兼总经理Tim Costa在一份声明中表示：“先进的人工智能和高性能计算平台正在推动芯片设计超越传统工作流程，为了大规模地实现更高的性能、效率和可靠性，多物理场感知协同设计至关重要。新思科技正在利用英伟达加速计算和CUDA-X库（包括cuDSS，可提供高达13倍的GPU加速）来扩展日益复杂的SPICE仿真、电磁学和电源完整性工作负载。此外，新思科技的多物理场融合解决方案在选定的试点设计中实现了高达5倍的设计收敛速度和高达86%的IR修复率。”
IR，即电压降，与电源完整性密切相关。如果电压降过低，导致晶体管无法正常工作，则被判定为IR违规。通常情况下，Ansys可以检测到这类问题。现在，它还能在芯片内部进行此类分析。
Elhak表示：“通过设计收尾工具发现这些错误并自动修复，我们避免了在设计周期中浪费数周时间。”
自合并完成以来，Synopsys 已将这些工具交付给主要客户。
三星电子副总裁兼晶圆代工设计技术团队负责人Hyung-Ock Kim在一份声明中表示：“在先进工艺节点上进行精确的时序签核需要一种统一的方法，该方法能够直接在时序分析中考虑IR压降、热效应和应力效应。Synopsys的Multiphysics Fusion技术通过将PrimeTime与多物理场分析相结合，提供了一个统一的、全方位感知的时序签核平台，实现了SPICE级别的精确相关性，并支持裕量恢复。随着我们在先进工艺和多芯片技术中追求更高的集成度、性能和可靠性，这一点变得越来越重要。”
此外，思科Silicon One团队正在利用Synopsys Multiphysics Fusion技术，在设计验收阶段统一考虑IR压降效应，从而更早、更准确地了解实际运行状况。结合验收精确且时序感知的IR修复，这可以实现预测性优化，帮助思科Silicon One更快地解决电源完整性问题，提供更优的PPA（电源性能分析），并显著提升运行速度。
目前已有用于时序签核、设计收敛、多芯片设计以及模拟和光子设计的多物理场融合解决方案。
总之，现在你知道为什么 Synopsys 和 Ansys 会进行价值 350 亿美元的合并了。
我说完这话，Elhak点了点头。他补充道：“这只是第一波，后面还有更多。”
附新思博客：Multiphysics Fusion技术有望变革芯片和产品工程
新思在今年三月撰写博客表示，Synopsys 收购 Ansys 是工程软件领域的一件大事，它开启了以前根本不可能实现的各种巨大机遇。
这些机遇远远超出了芯片设计，推动了机械、热力、流体、安全、可靠性等工程领域中日益集成和新颖的产品（如先进机器人和自动驾驶汽车）的发展。
收购完成后仅仅八个月， Synopsys-Ansys 的首个联合解决方案就在Converge 2026 大会上亮相：Synopsys Multiphysics Fusion™ 技术。
作为更广泛的电子设计自动化 (EDA) 解决方案路线图中的首个产品，Multiphysics Fusion 技术将 Synopsys 业界领先的芯片设计工具与 Ansys 的黄金标准签核分析功能相结合。这些差异化技术将帮助工程团队实现更高的功耗、性能和面积 (PPA) 以及更快的成果交付速度。
首批采用多物理场融合技术的EDA产品可分为三大类：
增强的多物理场设计能力
用于制造的更高精度多物理场签核
扩展的模拟功能，适用于高速设计和3DIC多芯片系统
用于高性能计算 (HPC) 和人工智能 (AI) 的前沿数字设计均采用最新、最先进的制造工艺，以实现最佳性能。但 7 纳米以下的先进工艺会带来强烈的物理耦合相互作用，使设计变得更加复杂。处理这些多物理场效应对于达到性能目标和按时交付芯片至关重要。
在推出多物理场融合技术时，我们宣布了一系列集成功能，这些功能可将电压降感知和热分析引入到极端运行条件和严格可靠性要求的时序签核中。
电压降（通常称为“IR压降”）是当今超低电压工艺实现高开关速度的必然结果。电压降会降低受影响区域的晶体管速度，从而导致性能下降甚至功能失效。热效应与之密切相关，并且随着先进芯片如今通常消耗数百瓦的电能，其影响也日益显著。晶体管性能与温度密切相关，因此热效应自然而然地成为领先设计团队首要关注的问题。
我们的新功能能够实现更精确、更可靠的时序签核仿真，从而消除不必要的过大安全裕度，实现更快、更经济的设计。此外，设计内数据流无需交换大型数据文件，从而缩短了周转时间。
电压和温度对芯片时序有显著影响。我们全新的多物理场融合技术将热降和电压降感知融入设计收敛过程，从而加快后期缺陷修复速度，有助于减少设计迭代次数并提高性能、精度和可用性 (PPA)。
增量电压降分析可为设计收敛过程的每次迭代提供即时反馈，从而避免任何可能导致新的电压降违规的更改。这有助于及早发现并快速解决问题，从而缩短设计时间，且与最终签核验证结果高度相关。
电磁 (EM) 分析的需求最初仅限于射频 (RF) 芯片设计，如今已扩展到更多产品类别。这主要归功于无线连接和高速数字通信的普及，电磁分析对于图形处理器 (GPU) 和人工智能 (AI) 芯片等多芯片设计而言至关重要。这些设计中的器件或互连线通过电场和磁场完全耦合，因此需要比传统数字分析更复杂、更具模拟性和非局域性的分析方法。
Ansys此次收购包括业内一些最值得信赖的电磁仿真器，以及用于识别根本原因的智能寄生分析工具。多物理场融合技术引入了这些模拟功能，可实现更早期的分析和更高精度的最终验收。
先进的多芯片封装（例如 2D、2.5D 和 3DIC）是现代高性能计算 (HPC) 和人工智能 (AI) 芯片的基础技术。然而，它们具有独特的复杂性和要求，无法用传统的电子设计自动化 (EDA) 流程和工具来解决。应对这些复杂性需要先进的多物理场仿真来评估新出现的工程问题，例如热机械载荷下的结构完整性。
多物理场融合技术可在整个EDA流程（从早期布局规划到最终签核）中实现热完整性、电源完整性和结构完整性优化。此外，它还为我们的多芯片平台引入了高速自动布线和AI驱动的信号完整性优化功能，使其成为适用于多芯片原型制作、设计和签核分析各个方面的综合解决方案。
根据我们主要客户的反馈，多物理场融合技术将满足一系列迫切需求。通过将领先的EDA工具与业界领先的多物理场功能相结合，这些全新解决方案将帮助各行业的工程团队应对前所未有的复杂性，并加速从芯片到系统的设计流程。
我们期待帮助他们释放潜力，并提供更多融合设计、仿真和分析的解决方案。
（来源：内容来自半导体行业观察综合 ）
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