آشنایی با ANSYS Q3D Extractor و نقش ابررایانه‌ها در شبیه سازی‌های سریع و دقیق

مقدمه

در عصر حاضر ، طراحی و تحلیل مدارها و سیستم‌های الکترونیکی پیچیده نیازمند استخراج دقیق پارامترهای پارازیتی ( مقاومت، القا، ظرفیت و رسانایی وابسته به فرکانس ) است. ابزار ANSYS Q3D Extractor با اتکا بر روش‌های عددی پیشرفته و مدل‌سازی سه‌بعدی جامد ، امکان استخراج این پارامترها را برای مدل‌های بزرگ و با جزئیات هندسی بالا فراهم می‌کند. با افزایش اندازه و پیچیدگی طراحی، نیاز به توان محاسباتی بالاتر بیش از پیش احساس می‌شود و استفاده از ابررایانه‌ها (HPC) می‌تواند زمان حل را به‌طور چشمگیری کاهش دهد

معرفی ANSYS Q3D Extractor

• کارکرد اصلی : محاسبه پارازیت‌های RLCG برحسب فرکانس برای انواع قطعات و بردهای الکترونیکی سه‌بعدی.
• قابلیت‌های متمایز:
  • مدل‌سازی جامد سه‌بعدی ( 3D solid modeling) و امکان انجام شبیه‌سازی الکتروترمال دو طرفه با اتصال به Ansys Icepak
  • ارائه نتایج دقیق برای پیاده‌سازی در دنیای واقعی .

چالش‌های محاسباتی در استخراج پارازیتی

استخراج پارامترهای پارازیتی برای طراحی های بزرگ با هندسه پیچیده ، نیازمند حل معادلات بزرگ خطی و ماتریسهای پراکنده است. زمان مورد نیاز برای تولید مش ( mesh generation )، حل ماتریس (matrix solves) و بازیابی میدان (field recovery ) می‌تواند بسیار طولانی باشد ، به‌خصوص زمانی که از پردازش تک‌هسته‌ ای استفاده شود.

پردازش موازی در ANSYS Q3D Extractor

ANSYS Q3D Extractor با به‌کارگیری زیر ساخت پردازش موازی، توانسته سرعت شبیه سازی را تا چندین برابر افزایش دهد. انواع روش‌های موازی سازی عبارت‌اند از :

1. پردازش موازی حافظه مشترک (SMP)
   • استفاده از چندین هسته CPU در یک ماشین برای کاهش زمان تهیه مش و حل معادلات
2. پردازش موازی حافظه توزیع‌شده (DMP)
   • توزیع محاسبات بین چندین ماشین یا نود در خوشه (cluster) و هماهنگی با استفاده از واسط‌های پیام‌رسانی مانند MPI .
3. پردازش ترکیبی (Hybrid: SMP + DMP)
   • ترکیب دو روش بالا برای بهره‌برداری هم‌زمان از منابع سخت‌افزاری محلی و خوشه‌ای .
4. شتاب‌دهی با GPU
   • بهره‌گیری از کارت‌های گرافیک برای شتاب برخی عملیات عددی (به‌ویژه حل ماتریس) که می‌تواند سرعت حل را به‌طور قابل توجهی افزایش دهد

راه‌اندازی ANSYS Q3D Extractor روی ابررایانه ( HPC )

برای به‌کارگیری منابع HPC و مدیریت شبیه سازی‌های بزرگ ، معمولاً از ابزارهای مدیریت وظایف (Job Scheduler) استفاده می‌شود:

• Platform LSF، Sun Grid Engine، PBS Pro، Windows HPC Pack و IBM Spectrum LSF از جمله سیستم‌های رایج هستند
• پیکربندی MPI:
  • Ansys به‌طور پیش‌فرض از Microsoft MPI در ویندوز و Intel MPI یا Open MPI در لینوکس پشتیبانی می‌کند. نسخه‌ها و تنظیمات توصیه‌ شده در مستندات MPI Ansys ارائه شده‌اند.
• نحوه اجرا:
  1. تعریف فایل میزبان (hostfile ) جهت توزیع نودها
  2. تنظیم تعداد فرآیندها ( processes) و رشته‌ها (threads)
  3. اجرای شبیه‌سازی از طریق Remote Simulation Manager یا فرمانهای خط فرمان Ansys

لایسنس و محدودیت‌ها

• مجوز بدون هزینه اضافی: تا چهار هسته یا ترکیبی از چهار هسته CPU و GPU نیازی به لایسنس HPC ندارد.
• لایسنس HPC: برای استفاده از بیش از چهار هسته یا اجرای هم‌زمان روی چندین ماشین به لایسنس‌های مخصوص HPC نیاز است
• توجه داشته باشید که حداکثر شتابدهی موازی همیشه توسط بخشی از کد که غیر قابل موازی‌ شدن است محدود می‌شود (قانون Amdahl ).

مزایا و نکات بهینه‌سازی

• کاهش زمان شبیه‌سازی : با توزیع محاسبات روی خوشه‌ها و GPU می‌توان زمان کل را تا چندین برابر کاهش داد .
• افزایش دقت: امکان استفاده از مش‌های ریزتر بدون افزایش زمان شبیه‌سازی قابل ملاحظه که به تحلیل‌های دقیق‌تر منجر می‌شود.
• نکات عملی:
  • بهینه‌سازی اندازه مش و نوع حلگر
  • مانیتورینگ مصرف حافظه و پهنای باند شبکه
  • آزمایش ترکیب‌های مختلف SMP/DMP برای یافتن نقطه بهینه

نتیجه‌گیری

استفاده از ANSYS Q3D Extractor در کنار ابررایانه‌ها و فناوری‌های پردازش موازی، ابزاری قدرتمند برای مهندسان الکترونیک فراهم می‌آورد، تا شبیه سازی‌های پارازیتی پیچیده را با دقت و سرعت بالا انجام دهند . با توجه به هزینه و مجوزهای مورد نیاز، برنامه‌ریزی دقیق منابع و انتخاب استراتژی موازی‌سازی مناسب ، کلید بهینه‌سازی روند شبیه‌سازی خواهد بود.

مقاله مادر: