從“正向設(shè)計(jì)”角度如何對(duì)“電子熱管理”進(jìn)行全局診斷
1 電子熱管理:從"被動(dòng)防護(hù)"到"正向設(shè)計(jì)"躍遷
當(dāng)前,電子熱管理技術(shù)正經(jīng)歷從"被動(dòng)防護(hù)"到"正向設(shè)計(jì)"的范式躍遷。電子熱管理的核心在于高效、精準(zhǔn)、低成本地解決電子產(chǎn)品的熱害問(wèn)題,需要精確的數(shù)據(jù)、契合的模型、標(biāo)準(zhǔn)化的研發(fā)流程和科學(xué)的評(píng)價(jià)體系?!?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/正向設(shè)計(jì)">正向設(shè)計(jì)”指以系統(tǒng)工程理論、方法和過(guò)程模型為指導(dǎo),面向復(fù)雜產(chǎn)品和系統(tǒng)的改進(jìn)改型、技術(shù)研發(fā)和原創(chuàng)設(shè)計(jì)等場(chǎng)景的設(shè)計(jì)方法。
過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)以來(lái),Ansys(2025年6月被新思科技收購(gòu))和西門子等是電子熱管理方面的大牛。如今,國(guó)產(chǎn)黑馬——魯歐智造橫空出世,其已掌握了熱測(cè)試、熱分析以及熱數(shù)字孿生底層的原理及模型,成為了半導(dǎo)體熱測(cè)試領(lǐng)域長(zhǎng)期被國(guó)外巨頭壟斷的破局者。
不久前,魯歐智造在京主辦了第三屆用戶大會(huì),與合作伙伴一起圍繞熱數(shù)字孿生與TDA(熱設(shè)計(jì)自動(dòng)化)工具鏈進(jìn)行交流。董事長(zhǎng)羅亞非從“正向設(shè)計(jì)”的基石開(kāi)始,探討了熱數(shù)字孿生技術(shù)的體系,介紹了該公司在熱管理方面的布局規(guī)劃。
2 正向設(shè)計(jì)的基石
● 測(cè)量
多年來(lái),羅亞非董事長(zhǎng)參與過(guò)很多客戶的實(shí)際項(xiàng)目,發(fā)現(xiàn)底層設(shè)計(jì)時(shí)最核心的一個(gè)點(diǎn)是測(cè)量。
實(shí)際上,如果追溯人類科學(xué)史,會(huì)發(fā)現(xiàn)如果離開(kāi)了測(cè)量,今天的科學(xué)將會(huì)一無(wú)所有,整個(gè)科學(xué)大廈會(huì)垮塌。因?yàn)槲覀兘裉煊玫降乃泄ぞ?、?shù)據(jù)、工程模型都建立在測(cè)量的基礎(chǔ)上。國(guó)際單位制有7個(gè)基本單位——米、千克、秒、安培、開(kāi)爾文、摩爾、坎德拉,它們幾乎每天都被用到,可見(jiàn)測(cè)量是構(gòu)建科學(xué)大廈的一個(gè)最基礎(chǔ)的方面。
在電子熱管理領(lǐng)域,會(huì)衍生出很多新的技術(shù)單位,諸如電壓、電阻、電容、電感、熱傳導(dǎo)的熱導(dǎo)率等,這些也離不開(kāi)這7個(gè)基本單位。否則,無(wú)論是計(jì)算、仿真還是工程設(shè)計(jì)等都無(wú)法進(jìn)行。所以測(cè)量是所有正向設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。
● 數(shù)學(xué)
在測(cè)量之后是數(shù)學(xué)。數(shù)學(xué)是唯一可以跨越時(shí)間、空間、文化、種族、物種進(jìn)行交流的語(yǔ)言。例如人們可以說(shuō)不同的語(yǔ)言,但是在討論數(shù)學(xué)問(wèn)題時(shí)卻是統(tǒng)一的。如果離開(kāi)數(shù)學(xué),人類文明也將徹底倒退至原始狀態(tài),可能無(wú)法延續(xù)至今。
● 建模
之后就要建模。建模是科學(xué)研究的核心方法論之一。它通過(guò)抽象、簡(jiǎn)化和數(shù)學(xué)化顯示世界,幫助科學(xué)家理解復(fù)雜現(xiàn)象,預(yù)測(cè)未來(lái)行為,以指導(dǎo)技術(shù)創(chuàng)新。
在整個(gè)工程和科學(xué)領(lǐng)域,有很多定律,例如牛頓三大定律,愛(ài)因斯坦相對(duì)論的公式,以及現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)的核心就是如何用模型去描繪今天的客觀世界,例如社會(huì)的金字塔人才結(jié)構(gòu)??梢?jiàn),模型無(wú)處不在,科學(xué)界有關(guān)于自然規(guī)律的建模,在社會(huì)科學(xué)中有對(duì)組織行為的建模。
只有把模型建出來(lái)了,我們才能在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行更加復(fù)雜詳細(xì)的設(shè)計(jì)。例如今天做的新能源汽車,可以達(dá)到上萬(wàn)個(gè)零部件,如果不給它建模,整個(gè)設(shè)計(jì)將無(wú)從做起。
所以在做實(shí)際的幾何建模時(shí),背后還有很多科學(xué)建模,包括行為建模、可靠性模型等。從測(cè)量到建模之后怎樣評(píng)估它的壽命,以及評(píng)估在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的使用方法?最終都是兩個(gè)字:建模。
● 仿真
建模使人類的科學(xué)走向了星辰大海。從科學(xué)來(lái)到了工程領(lǐng)域,要把這些建好的模型/知識(shí)用起來(lái),因此最終還要做一件重要的事情——仿真。
仿真是連接理論與實(shí)驗(yàn)的橋梁,是現(xiàn)代工業(yè)的核心之一。從20世紀(jì)末到今天的21世紀(jì),在工程的發(fā)展史上,仿真變得越來(lái)越重要。因?yàn)槟P驮絹?lái)越復(fù)雜,我們要處理的物理問(wèn)題越來(lái)越多,僅靠人類自己的雙手、大腦已經(jīng)做不下去了。例如航天、汽車、芯片、未來(lái)的低空經(jīng)濟(jì)等一定離不開(kāi)仿真。
在仿真領(lǐng)域里,做出第一大杰出貢獻(xiàn)的是馮·諾伊曼(1903—1957,匈牙利猶太裔美籍),他發(fā)明了今天計(jì)算機(jī)最基礎(chǔ)的架構(gòu)。只有在計(jì)算機(jī)的輔助下,人類的算力才得到了指數(shù)級(jí)的爆發(fā)性增長(zhǎng)。在算力達(dá)到了一個(gè)新高度時(shí),人們才有可能通過(guò)計(jì)算機(jī)把科學(xué)的定律、知識(shí)等運(yùn)用起來(lái),最后可以快速地得到一個(gè)工程計(jì)算的結(jié)果,這就是仿真。
● 仿真中的熱數(shù)字孿生
有了計(jì)算機(jī)的知識(shí)以后,仿真領(lǐng)域發(fā)展得越來(lái)越快。在流體仿真領(lǐng)域,開(kāi)創(chuàng)先河的大師是斯波爾?。?923-2016,英國(guó)),他是英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的教授,在CFD(計(jì)算流體力學(xué))領(lǐng)域可謂第一人,發(fā)明了有限體積分析法。此后,還有克勞夫(1922-2016),他雖然沒(méi)有那么有名,但是也是有限元領(lǐng)域的提出人。所以從流體仿真的歷史影響力來(lái)看,他們都非常值得人們尊敬、紀(jì)念的。
接下來(lái)在仿真的發(fā)展史上,出現(xiàn)了世界聞名的Ansys(1970年成立,2025年被新思科技收購(gòu))等公司,相信未來(lái)還會(huì)有更多的團(tuán)隊(duì)和公司涌現(xiàn),向業(yè)界提供更多更好的解決方案。
3 設(shè)計(jì)與測(cè)試相生相伴
正向設(shè)計(jì)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)流程是V字模型。
圖 正向設(shè)計(jì)的流程
從V字的左上角開(kāi)始,首先做需求分析,然后是系統(tǒng)設(shè)計(jì)、架構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì),是一層層的建模。從最頂層抽象的模型開(kāi)始,是需求。接下來(lái)是架構(gòu)設(shè)計(jì),例如做汽車,需要方向盤、動(dòng)力系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、馬達(dá)……,以及怎么去互聯(lián),信號(hào)怎么去傳輸,動(dòng)力怎么去驅(qū)動(dòng)。接下來(lái),用什么樣的底層通信協(xié)議、模塊。是一層層地設(shè)計(jì)、建模。
在建模過(guò)程中要不斷地測(cè)試,來(lái)驗(yàn)證做出來(lái)的實(shí)物是否與設(shè)計(jì)一致。先從最小的單元測(cè)試開(kāi)始;測(cè)完之后做組合在一起的功能測(cè)試;然后再合成一個(gè)更大的系統(tǒng),做系統(tǒng)測(cè)試;最后到交付的時(shí)候,要做放行測(cè)試。最終這個(gè)產(chǎn)品才到了用戶的手里。
所以今天的汽車用戶不用擔(dān)心愛(ài)車什么時(shí)候會(huì)壞,因?yàn)楸澈笕渴怯晒こ虜?shù)據(jù)的采集、數(shù)學(xué)的計(jì)算、模型的使用來(lái)支撐的。實(shí)際上,當(dāng)今的復(fù)雜系統(tǒng)離不開(kāi)從數(shù)學(xué)到建模、測(cè)量的過(guò)程。
4 熱管理體系
熱管理是一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域,也脫不開(kāi)科學(xué)體系的金字塔。
圖 熱數(shù)字孿生技術(shù)體系
從科學(xué)體系上看,我們?cè)谘芯靠陀^世界的時(shí)候,第一件事是測(cè)量。以天文學(xué)為例,觀測(cè)、測(cè)量第一看星星怎么動(dòng),發(fā)現(xiàn)東升西落。然后開(kāi)始建模,用像中國(guó)的日晷一樣去采集數(shù)據(jù)。第三是做數(shù)據(jù)分析。當(dāng)分析出很多有用的數(shù)據(jù)后,變成信息。這些信息最終通過(guò)一些科學(xué)家或大腦比較活躍的人把它們變成了模型。例如牛頓萬(wàn)有引力定律,流體仿真領(lǐng)域的方程式。把它們變成了知識(shí),就很厲害了。因?yàn)橹R(shí)具備傳承性,可從一個(gè)個(gè)體傳到了另一個(gè)個(gè)體,最終成為一個(gè)群體的財(cái)富。一旦形成知識(shí)了,就可以用來(lái)解決更多深層次的問(wèn)題,并得以流傳下來(lái)。人類科學(xué)傳承了幾千年,積累形成了今天的科技文明,我們可以用這些知識(shí)去解決各種各樣的工程問(wèn)題、科學(xué)問(wèn)題以及社會(huì)問(wèn)題,為人類創(chuàng)造更好的未來(lái)。
5 魯歐智造的解決方案
第一步,解決測(cè)量問(wèn)題。目前已經(jīng)向客戶交付了熱測(cè)試的設(shè)備,主要是做結(jié)構(gòu)測(cè)試和半導(dǎo)體芯片相關(guān)的瞬態(tài)熱阻測(cè)試,以及衍生出來(lái)的可靠性測(cè)試,還有光學(xué)-熱學(xué)聯(lián)合測(cè)試等儀器和設(shè)備。
例如,“赤霄”系列的質(zhì)檢設(shè)備是魯歐智造自主研發(fā)推出的定制化解決方案,可利用瞬態(tài)熱測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線上的快速無(wú)損全檢;可實(shí)現(xiàn)器件、模組乃至產(chǎn)品級(jí)別的多層次同時(shí)檢測(cè)及判定;可利用產(chǎn)線上回收積累的檢測(cè)數(shù)據(jù),優(yōu)化判定算法,提高檢出率,進(jìn)一步降低不良品的流出風(fēng)險(xiǎn)。
魯歐智造也在做數(shù)學(xué)上的數(shù)據(jù)處理軟件,已經(jīng)成為測(cè)量設(shè)備的一部分。下一步會(huì)推出更多可以創(chuàng)造新知識(shí)的數(shù)學(xué)工具。
有了數(shù)學(xué)產(chǎn)品之后,魯歐智造開(kāi)始以建模為中心,推出了熱數(shù)字孿生體系。這是對(duì)整個(gè)熱管理行業(yè)的底層知識(shí)做研究,積累實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù),以建立好一套完整的建模體系及評(píng)估體系,并最終把這些模型傳遞到仿真里。
在仿真領(lǐng)域,魯歐智造推出了新產(chǎn)品——多物理場(chǎng)FASIM仿真平臺(tái)。它提供了流體動(dòng)力學(xué),電子散熱、結(jié)構(gòu)、電磁和光學(xué)的多物理場(chǎng)仿真模塊,具備快速建模、高精度計(jì)算、操作界面簡(jiǎn)潔三大優(yōu)勢(shì)。期望不久的將來(lái),F(xiàn)ASIM仿真平臺(tái)在中國(guó)成為一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品;在更遠(yuǎn)的未來(lái),可以超過(guò)國(guó)外的一些主流產(chǎn)品,成為仿真領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者。
評(píng)論