Ansys 2021 R1에 Ansys HFSS Mesh Fusion이 도입되면서 A는 약 20년 전 HFSS를 처음 사용했을 때와 같이 놀랐다. A는 HFSS Mesh Fusion은 HFSS가 탄생한 이후 HFSS에서 일어난 가장 큰 일이라고 생각한다. HFSS Mesh Fusion은 A가 가능하다고 생각했던 것보다 훨씬 더 복잡한 디자인을 맞물리고 해결할 수 있기 때문이다.
A는 1999년 캘리포니아의 안테나 스타트 업에서 일하면서 Bluetooth, Wi-Fi 및 모바일 안테나를 시뮬레이션하기 위해 HFSS를 처음 사용했다. A는 HFSS가 제공하는 통찰력과 정확성에 완전히 놀랐다.
HFSS 이전에 안테나 작동 방식을 이해하려면 전자기장에 대한 간접 정보만 제공하는 시간, 비용 및 리소스가 많이 드는 측정 기술이 필요했다. 그러나 HFSS를 통해 전자기장을 보고, 안테나에서 파동이 발사되는 것을 확인했다. 실험실에서 추출하기가 너무 어려웠기 때문에 추가적인 전자기적 통찰력이 설계 프로세스를 비약적으로 가속화했다. 그리고 자동 적응형 Meshing 덕분에 정확도는 거의 정확했다. 그 후 A는 HFSS에 대한 믿음이 커졌고, 2001년에 Ansoft에 입사하여 Ansys와 함께한 후 2008년에 회사를 인수했다.
이후 몇 년 동안 새로운 인터페이스 및 새로운 솔버 기술과 같은 Ansys HFSS의 개선 사항을 보는 것은 즐거웠다. 시장은 HFSS에게 지속적으로 더 크고 빠른 시뮬레이션 성능을 요구해 왔으며, 특히 2008년에 도메인 분해 방법(DDM)이 도입된 것에 깊은 인상을 받았다. DDM은 더 크고 복잡한 문제를 해결하기위해 HFSS 시뮬레이션 용량을 수십 배로 확장할 수 있도록 메쉬 분할을 사용해서 시뮬레이션을 여러 코어 및 메모리에 분산시키는 혁신적인 솔버 기술이다. 그런 다음 2014년, 분산 메모리 매트릭스(DMM)은 매트릭스 솔버의 저잡음 플로어 및 다재 다능한 효율을 제공하면서 분산 코어 및 메모리를 사용하는 매트릭스 분할 솔버를 제공했다.
클라우드 컴퓨팅으로 복잡성 문제 해결
이후 몇 년 동안 다중 레벨 HPC와 같은 추가적인 고성능 컴퓨팅(HPC) 기술을 통해 HFSS는 더 많은 코어, 프로세서 및 노드를 활용할 수 있었다. 그리고 2019년에 Ansys Cloud on Microsoft Azure에 HFSS가 활성화되어 HFSS 사용자가 가장 복잡하고 까다로운 문제를 해결할 수 있도록 사실상 무제한 컴퓨팅 성능에 대한 잠재적인 액세스를 제공했다. HFSS는 최근 Ansys Cloud의 계산 능력을 사용해 전체 무선 주파수 통합 회로(RFIC) 프런트 엔드를 해결하여 용량 이정표를 달성했다. 거의 1억에 달하는 매트릭스 크기로 이 설계를 시뮬레이션 하는 것은 Ansys Cloud의 컴퓨팅 리소스를 활용 한 솔버의 발전이며 매우 크고 복잡한 설계를 해결하는 HFSS의 능력을 보여준다.
대규모의 복잡한 전자기 시스템에 대한 필드를 손쉽게 메싱하고 플로팅할 수 있다
제품 수명주기가 짧아지고 제품 기능이 향상되며 데이터 속도와 빈도가 높아짐에 따라 엔지니어가 제품을 시장에 출시하기가 점점 더 어려워졌다. 1999년에 A가 시뮬레이션 한 Bluetooth 안테나에서 디자인이 크게 발전했는데 이는 HFSS 사용자가 전체 256요소의 5G 밀리미터파(mmWave) 배열 안테나만큼 포괄적 인 디자인을 분석했기 때문이다. 가장 중요한 점은 HFSS를 사용하여 패키징의 집적 회로(IC), 하우징 내의 용량성 센서 배열를 포함한 터치 패널 디스플레이 같은 대형 시스템과 더 복잡한 전자기 시스템을 해결하는 것이다.
시뮬레이션에서의 메쉬 스케일링 문제
HFSS 사용자는 태블릿 컴퓨터의 5G mmWave 무선 모듈 또는 커넥터 및 케이블 포함 여러 PCB(인쇄 회로 기판)이 있는 복잡한 시스템에 대한 전자기 간섭/호환성(EMI/EMC) 연구와 같이 메쉬 및 해결이 가능한 것에 대한 한계를 지속적으로 뛰어 넘고 있다. 지오메트리가 수십 배에 걸쳐 확장되는 피쳐 크기로 인해 너무 복잡한 대규모 EM 시스템의 경우 Meshing이 더 어렵다.
설계의 초기 메쉬 생성은 HFSS의 유한 요소 방법(FEM)에서 기술적으로 가장 어려운 측면이다. FEM 메쉬를 생성할 때 지오메트리의 여러 측면이 작용하는데 PCB와 같은 계층 구조인지, 동축 커넥터, 케이블 또는 하우징과 같은 3D와 같은 계층 구조인지 또는 항공기 또는 자동차와 같은 플랫폼 계층 구조인지 여부 등이 영향을 끼친다. HFSS에는 다양한 디자인 유형을 최적으로 처리하는 여러 Meshing 기술이 있다. 예를 들어, 지오메트리 인식 HFSS Phi Mesher는 PCB, 패키지 및 IC 설계에서 발견되는 계층 구조를 효율적으로 다룬다. 그러나 모든 설계에는 항상 하나의 메쉬가 적용된다는 제약이 있었다. 예를 들어 케이블이 연결된 PCB의 커넥터와 같이 설계가 여러 “유형”으로 구성된 경우 초기 메쉬를 달성하는 것이 어려울 수 있다.
기하학적 규모는 또 다른 도전을 제시한다. 오늘날에는 고주파 콘텐츠로 인해 패키징 IC의 EM 커플링을 무시하는 것은 더 이상 안전하다고 할 수 없다. 이러한 복잡한 EM 시스템에서 기하학적 세부 사항은 마이크론에서 밀리미터까지 확장되어 메쉬 공차에 문제가 있다. 여러 유형의 설계에 걸쳐 피처 크기가 수십 배로 확장되는 유한 요소 메쉬를 생성하는 동시에 모든 곳에서 기하학적으로 정확한 표현을 유지하는 것은 매우 어렵기 때문에 엔지니어링 시뮬레이션의 장벽이라고 할 수 있다.
메쉬 융합: 다중 메쉬, 동일한 디자인, 동일한 신뢰성
이러한 Meshing 문제를 해결하기 위해 Ansys 2021 R1은 새로운 기능인 Ansys HFSS Mesh Fusion을 도입했다. HFSS Mesh Fusion의 특허 기술은 Ansys HFSS와 동일한 엄격함, 정확성 및 신뢰성으로 훨씬 더 복잡한 설계를 시뮬레이션 할 수 있다. 로컬 지오메트리에 적합한 동일한 디자인 내에서 대상 Meshing 기술을 적용하여 이를 수행한다.
Phi Meshing 기술은 3D-최적화 TAU Mesher 사용하여 커넥터와 케이블이 있는 PCB에 적용될 수 있다. 그리고 HPC 리소스를 사용하여 서로 다른 Meshing 기술을 병렬로 실행할 수 있다는 장점이 있다. HFSS Mesh Fusion의 또 다른 장점은 전체 EM 시스템의 크기가 아닌 크기로 정의된 부품의 메쉬 허용 오차를 사용하여 메쉬 기술이 국부적으로 적용된다는 것이다.
HFSS Mesh Fusion은 정확도를 손상시키지 않고 이전과 동일한 “전자기 인식”적응형 메쉬 기술을 계속 사용한다.
HFSS Mesh Fusion은 더 복잡하고 포괄적인 EM 시스템을 다룰 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. DMM의 고급스럽고 탄력적인 하드웨어 솔버 기술을 Ansys Cloud를 사용하여 작은 칩에서 커다란 선박까지 하드웨어 액세스에 사용할 수 있는 옵션과 결합하면 HFSS 및 새로운 HFSS Mesh Fusion 기술로 해결할 수 있는 문제에 제한이 없게 된다.
출처 : Ansys From Chips to Ships, Solve Them All With HFSS
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