Ansys Charge Plus What’s New 2026 R1
개요
Ansys Charge Plus는 전자기 Solver, 유체 Solver, 입자 물리 Solver를 결합하여 사용하기 쉬운 Multiphysics 시뮬레이션 환경을 제공하는 제품입니다. 주요 적용 분야는 우주 및 방사선 환경 영향, 방전 모델링, 정전기 방전, 즉 ESD 테스트, 플라즈마 챔버 해석 등을 포함합니다.
2026 R1의 주요 신규 기능은 다음과 같습니다.
- 초기 조건에서 시뮬레이션 재시작
- PIC/FEM 및 방사선 수송 GPU 가속
- 방전 오염 입자 모델링
주 업데이트 내용
1. 초기 조건에서 시뮬레이션 재시작
Charge Plus의 핵심 차별점 중 하나는 플라즈마 문제를 시간 영역에서 해석하면서도, 거시적인 시간 스케일에서는 효율적으로 계산을 진행할 수 있다는 점입니다.
예를 들어 전자와 이온의 움직임처럼 피코초 단위에서 발생하는 매우 빠른 입자 동역학을 포착할 수 있으며, 동시에 식각이나 Edge Formation처럼 수 초에 걸쳐 진행되는 공정도 가속 시간 전진 기법을 활용해 시뮬레이션할 수 있습니다.
Semi-implicit formulation 개선을 통해 이제 에너지 보존과 전하 보존이 모두 적용됩니다. 이는 가우스 법칙과 같은 기본 물리 원리를 기반으로 하며, Debye Length를 충분히 해상하지 못할 정도로 Mesh 크기가 큰 경우에도 플라즈마 안정성을 유지하는 데 매우 중요합니다. 그렇지 않으면 수치적 가열, 즉 Numerical Heating 문제가 발생할 수 있습니다.
이러한 에너지 보존 기법을 통해 Solver는 Debye Length보다 10배에서 100배 더 큰 Mesh 크기를 사용하면서도 플라즈마를 안정적으로 유지할 수 있습니다. 결과적으로 효율적이고 정확한 시간 영역 시뮬레이션이 가능해집니다.
시간 영역 Solver의 에너지 보존 기법을 활용함으로써, 사용자는 이제 초기 조건에서 시뮬레이션을 재시작할 수 있습니다. Charge Plus는 Bulk Species에 대한 CFD 시뮬레이션 입력을 받아 플라즈마를 모델링합니다.
이 접근 방식의 장점은 높은 플라즈마 밀도를 모델링할 때 Mesh 해상도와 계산 효율 사이의 균형을 맞출 수 있다는 점입니다. 에너지 보존 기법을 사용하더라도, 약 10¹⁷ electrons/m³ 수준의 밀도를 해상하려면 매우 세밀한 Mesh가 필요할 수 있습니다. 특히 Tau-region에 가까워질수록 거친 Mesh만으로는 정확한 PIC 해석이 어렵습니다.
따라서 전체 Ramping 단계에서 처음부터 세밀한 Mesh를 사용하는 대신, 문제를 단계적으로 해석할 수 있습니다. 먼저 거친 Mesh에서 낮은 밀도의 안정해를 얻고, 이후 그 결과를 점진적으로 더 세밀한 Mesh에 Mapping하는 방식입니다.
이러한 단계적 접근법은 고밀도 플라즈마를 정확히 해상하면서도 전체 계산 비용을 줄여줍니다.
그림 1은 약 5.5e-7 시점부터 불안정해지기 시작한 시뮬레이션을 5e-7 시점에서 재시작한 뒤, 1e-6까지 안정성 문제없이 진행한 예시를 보여줍니다.
이를 통해 초기 시뮬레이션은 빠르게 수행하고, 이후 고해상도 Mesh로 정밀하게 개선할 수 있습니다.
플라즈마 기반 반도체 제조와 관련된 추가 업데이트는 다음과 같습니다.
- 에너지 및 각도 분포 함수에 대한 유동 영향 반영
- 챔버의 Full 3D 시뮬레이션을 위한 GPU 가속
- Wafer 표면에서 IEADF 모니터링
2. PIC/FEM 및 Radiation Transport GPU 가속
2026 R1에서는 Radiation Transport Monte Carlo Code가 새롭게 GPU 가속을 지원합니다. 이를 통해 해석 시간이 크게 단축됩니다.
Photon Kerma 계산의 경우, GPU 기반 시뮬레이션이 CPU 대비 최대 10,000배 더 빠르게 수행됩니다. 또한 전체 Electron 및 Positron Transport 해석은 RTX 4090 기준, 20-core CPU 대비 약 1,000배 가속을 달성합니다.
이는 복잡한 Dose Deposition 및 Transport 해석을 몇 분 이내에 수행할 수 있음을 의미합니다.
해당 성능은 여러 GPU로 확장할 수 있으며, GPU당 초당 약 300,000개의 Particle History를 처리할 수 있습니다. 반면 CPU는 Core당 초당 약 70개의 History를 처리하는 수준입니다.
3. 방전 오염 입자 모델링
새로운 Pollutant Modeling 기능을 통해 사용자는 작은 Gap 내부에서 입자성 오염물이 전기장을 어떻게 증폭시키는지 시뮬레이션할 수 있습니다.
Pollutant Geometry에 기준 전기장을 적용하면, 이 도구는 입자 주변의 국부 전기장에 대한 Field Enhancement Factor를 계산합니다. 이후 이 Enhancement Factor를 추출하여 거시적인 Gap 레벨에 적용할 수 있으며, 이를 통해 예측되는 Breakdown Voltage를 보다 정확하게 낮춰 계산할 수 있습니다.
사용자는 Sphere나 Prism과 같은 사전 정의된 Geometry를 선택하거나 Custom Shape를 정의할 수 있습니다. 또한 오염 입자의 크기, 밀도, 계산된 Enhancement Factor를 함께 설정할 수 있습니다.
그림 7은 오염 입자가 없는 경우와 있는 경우의 결과를 비교한 예시입니다.
결과를 보면 오염 입자가 존재할 때 Electron Density가 더 이른 시점에 증가하며, Gap 내부에서 Ionization이 가속되고 Townsend Avalanche가 더 빠르게 시작되어 Breakdown이 더 빨리 발생함을 확인할 수 있습니다.
마무리
Ansys Charge Plus 2025 R2는 방사선 해석 강화, FEM–Spice 통합, 박막 재료 해석, 성능 최적화까지 다양한 부분에서 진일보한 기능을 제공합니다. 특히 우주·항공, 플라즈마 장비, 고전압 해석 분야에서 현실적인 시뮬레이션이 가능해져, 연구자와 엔지니어에게 큰 도움이 될 것입니다.
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