© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 1 ANSYS R15.0 HFSS 2014的新功能 丁海强 ANSYS 中国技术经理 新浪微博： @ANSYS丁海强 官方微博： @ANSYS中国
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 1
ANSYS R15.0 HFSS 2014的新功能
丁海强 ANSYS 中国技术经理
新浪微博： @ANSYS丁海强
官方微博： @ANSYS中国
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 2
ANSYS 高频/高速电子系统设计平台
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 3
HFSS的两种设计界面
都需要利用HFSS精确考虑三维效应
机械 CAD (MCAD)
电子版图 (ECAD)
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 4
统一的全集成化设计环境
HFSS UI
ANSYS RF Platform ANSYS SI Platform
Designer SI/RF完全集成于HFSS统一的设计界面中 电磁场/电路/系统高效率协同设计
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 5
ANSYS RF Platform
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 6
ANSYS SI Platform
Solved 3D vertical and 2D models inserted directly into the schematic
TX RX
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 7
设计流程自动化 • 与电路仿真工具更紧密集成 • HFSS 三维版图仿真 • 支持外部近场数据源导入 • 三维元件库 • 网络参数数据浏览
数值求解技术的改进 • 分布式直接矩阵求解器 • 版图结构的新一代网格剖分技术 • HFSS瞬态求解支持GPU • 新的建模技术和功能
高性能计算 • 多层次HPC • 有限大阵列仿真 • 积分方程法的分布式求解支持
HFSS 2014概览
Param 2
Param 3
Param 1
1
10
100
1000
10000
10000 100000 1000000 10000000 100000000
CP
U t
ime
in s
eco
ns
Num Tets Phi Mesher
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 8
HFSSv2014 设计流程自动化
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 14
• HFSS 三维版图仿真的主要功能特色 – 参数化版图编辑器
• 层叠：Etch Factor/Layer Offset • 焊盘 • 线迹参数 • 有限大介质 • Hierarchy
– 求解器 • 集成的HFSS 求解器 • 集成的PlanarEM - 2.5D MoM • Q3D 直流 S 参数求解器 • HFSS内嵌的RLC和S-参数元件
– 后处理 • 网络参数浏览器和全波Spice模型
– 和业界主流的版图设计工具集成 • Cadence, Zuken, Mentor 和 Altium
HFSS 精确仿真版图结构 HFSS 3D Layout
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 15
HFSS 3D Layout的新功能 • 嵌入式元件 • Q3D求解精确的直流 S参数 • 集总线端口 • 多端口S参数模块
An HFSS Sparse Matrix
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 16
• 利用用户定义的并联阻抗负载加入外部电流源
• 设置非常方便
– 在无法创建集总端口或波端口结构的时候非常有效
– 可用于板间和板内的连接
3D Layout新的电路集总端口
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 17
• HFSS 3D Layout三维版图仿真 – Phi 网格剖分器：速度更快 – 电路端口 – 多端口电路元件 – 三维电路元件的渲染显示 – 键合线
• 支持JEDEC 4 和 5 • 键合路经和材料特性参数化 • 矩形截面 • 反向键合
– 零厚度外部波端口
• 版图仿真功能改进 – Z方向放大视图 – 层透明度显示 – 针对大型反复杂设计改进层显示的速度和规模 – 改进的模型分配和切割，自动进行几何结构清理 – 改进的版图脚本功能
• 设计工具集成 – 新的SIwave, ODB++, GDSII 和 dxf文件导入界面 – 自动部件导入 – 自动从BMP或部件映射文件中创建电路元件
版图电磁仿真的功能改进
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 18
• 可在Cadence SiP，APD 和 Allegro中直接运行 • 在Cadence设计环境中直接生成可求解的HFSS求解模型
• 信号线、电源和地网络选择
• 自动在焊球、键合线上创建端口
• 完成求解设置和空间扩展
与Cadence 版图设计环境的集成
HFSS Solution in progress
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 21
EM Solution
Thermal Solution
Structural Solution
全波电磁场与热、应力闭环耦合仿真
• 多物理场仿真
• 利用HFSS仿真电磁场
• 无损链接至ANSYS Mechanical或Fluent/CFX/Icepack中进行热应力仿真
• 将热负载以及任何外部负载导入结构求解器来计算形变
• 完全的双向耦合与闭环仿真
• 通过HFSS求解基于热仿真结果的具有温变特性的电气性能
• 将结构分析的形变网格结果返回HFSS做进一步分析
• 基于仿真流程进行迭代仿真直到达到稳态特性
• 利用ANSYS Workbench完成多物理场仿真
• 利用DesignXplorer进行鲁棒性分析 Design Exploration
-DOE Based Response Surface -6σ, Optimization, Statistics
RF Losses
Thermal Stresses
Mesh Deformation from R14.5
多物理场设计流程
Temperature
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 22
ndE和状态空间模型生成 Since S-parameters are frequency domain data, they have to be converted to something that will work in the time domain. Nexxim offers the ability to use State Space models to represent the s-parameters in a model that is both passive and causal.
State-Space model overlapping the original S-parameter data.
Passivity Check
Quick Method to view Differential S-parameters
Causality Check
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 23
• 三维元件库 – 用户自定义
– 保存和复用
– 在设计团队中共享
• 在三维建模界面下创建
• 包含 – 几何结构
– 材料特性定义
– 边界条件
– 激励
三维元件库
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 24
HFSSSv2014 数值求解技术的改进
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 25
直接矩阵求解器的分布式求解 • 直接法矩阵求解器：
– 精度最高，在多端口/多激励情况下效率最高
• 新版本支持利用多个计算节点的多核CPU和内存进行分布式直接矩阵求解 – 需要ANSYS Electronics HPC
• 应用案例: 车载天线布局和人体效应仿真 – 矩阵规模: 12M – 内存: 714 GB – 计算机数量: 6 (128 GB) – 求解时间: 3 小时
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 26 1
10
100
1000
10000
10000 100000 1000000 10000000 100000000
CP
U t
ime
in s
eco
ns
Number of tets, NlogN scaling
0
10
20
30
40
50
60
70
1000 10000 100000 1000000 10000000
Spee
d U
p
Classic Mesh Size (Num Tets)
针对版图结构的超快速自动网格剖分
HFSS 3D Layout新一代Phi网格剖分器
比传统方法快20-40倍！！
1 million tets in 2 minutes
10 million tets is 20 minutes
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 27
• DGTD (HFSS Transient) and FDTD lend themselves to a high degree of parallelization
• Now HFSS Transient can leverage GPUs for faster simulations
HFSS瞬态求解支持GPU加速
PROJECT # Tets Tesla K20c
Intel X5675
8 cores
GPU vs. 8
core CPU
Dipole small 21K 0:03:45 0:08:00 1.83
Dipole large 51K 0:08:07 0:19:51 2.42
Landmine 32K 0:02:37 0:05:50 2.22
Leadframe Connector small 36K 0:04:43 0:04:31 0.95
Leadfram Connector large 108K 0:03:17 0:07:18 2.22
FlipChip Package 39K 0:02:40 0:00:44 0.275
GSM Antenna mixed order 75K 0:59:43 2:58:41 2.95
GSM Antenna 1st order 133K 6:34:08 34:18:55 5.21
PROJECT # Tets Tesla K20c
Intel X5675
8 cores
GPU vs. 8
core CPU
Dipole small 21K 0:03:45 0:08:00 1.83
Dipole large 51K 0:08:07 0:19:51 2.42
Landmine 32K 0:02:37 0:05:50 2.22
Leadframe Connector small 36K 0:04:43 0:04:31 0.95
Leadfram Connector large 108K 0:03:17 0:07:18 2.22
FlipChip Package 39K 0:02:40 0:00:44 0.275
GSM Antenna mixed order 75K 0:59:43 2:58:41 2.95
GSM Antenna 1st order 133K 6:34:08 34:18:55 5.21
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 28
• 通过定义“IE区域”“IE regions” 实现矩量法和有限元法的自动混合求解
• 在HFSS 15中，所有的域 (FEM and MoM) 都能够进行并行求解
– 有限元区域会进一步分成子域进行并行求解
• 在HFSS 2014 中，矩量法区域也可以分成子域进行并行求解
– 并行化
– 进一步提高求解速度
IE区域的分布式求解
IE solution on car body using IE-Regions
Solution Type Total RAM (GB) Elapsed Time (hours)
FEM w/ DDM 160G 8
Hybrid Solution 11 2.7
FEM solution around body and cell phone
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 30
• 通过边界积分(MoM) 得到的辐射
场实现耦合
• 现在FEM和MoM求解域可直接耦
合
• 可以任意布局FEM和MoM域
• 可以直接接触
FEM/IE 混合算法与并行运算
FEM 域求解喇叭天线
MoM 域求解反射面和传导馈线
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 31
• 带有介质罩的900MHz刀片天线安装在飞机上
平台天线布局
机身：3D MoM IE
天线：FEM
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 32
航母天线布局仿真与通信
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 33
航母桅杆上的2GHz天线
天线安装位置
2 X 2GHz Horn Antennas
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 34
航母天线布局仿真
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 35
电大尺寸模型ANSYS解决方案
矩阵多线程加速仿真 HFSS DDM 基于网格的分域求解 复杂材料和一般问题
HFSS-IE DDM PO 基于矩阵的分域求解
电大金属平台 +‘简单’天线
HFSS-Hybrid DDM 混合 FEM-IE 分域求解
电大金属平台 +‘复杂’天线
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 36
• 空间相关材料特性和边界条件定义
• 应用案例: Luneburg 透镜
空间相关材料特性
PEC Half Plane
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 37
• 对于曲面结构， 曲线单元网格具有更好的精度
– 高效率: 用较少的网格逼近真实的曲面结构
• 应用案例: NASA Almond RCS仿真
HFSS-IE支持曲线单元网格
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 38
• Curvilinear elements: Accurate ‘mesh rendering’ of curved dish surface
• Rectilinear elements produced ‘paired echoes’ from periodic faceting
– Need finer mesh for accuracy
• Curvilinear elements save
– Mesh
– Memory
– Time
曲线单元网格:偏馈抛物面天线
35 λ @ 9 GHz FEM (feed) and IE (dish) • 51.5 mins and 8 GB with 4 adaptive passes
Rectilinear
Changing faceting
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 39
偏馈抛物面天线仿真结果
Rectilinear 15° Rectilinear 5° Curvilinear 15°
Rect 5° ‘false’ side lobes
Rect 15° main beam unresolved
R5° 75 mins, 8.5 GB C15° 50 mins, 7 GB
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 40
• Use measured E and/or H field data as radiation source
– Also use fields from other simulations where the IP needs to be protected
• A ‘near field’ model of the device analogous to a touchstone s-parameter model.
导入外部场数据
Near fields around PCB with associated far field radiation pattern
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 41
HFSS2014 高性能计算
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 42
HPC：更快的速度，求解更大规模的问题
Multi-processing w HPC Spectral and Domain Decomposition Method w
HPC
Robust Design w DSO
*Distributed Solve Option is a separate license and is not included with HPC
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00F [GHz]
-80.00
-70.00
-60.00
-50.00
-40.00
-30.00
-20.00
-10.00
0.00
Y1
Ansoft Corporation Nexxim1Differential S-parameters Curve Info
•HPC products, Electromagnetics HPC and DSO, enable:
DDM
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 43
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 20.00F [GHz]
-80.00
-70.00
-60.00
-50.00
-40.00
-30.00
-20.00
-10.00
0.00
Y1
Ansoft Corporation Nexxim1Differential S-parameters Curve Info
• Using HPC 32 and HPC 128
• HPC 32
– 8 core multi-processing
– 4 point multi-frequency
从v14 到 v15:宽带扫频的改进
HFSS 14 HFSS 15
Matrix solve time (8 cores) 19:34 14:25 (35% faster)
HPC 32 sweep efficiency 74% 98%
HPC 32 solution time 25:04:40 14:48:15 (70% faster)
HPC 128 sweep efficiency 52% 95%
HPC 128 solution time 08:50:08 03:50:14 (130% FASTER!)
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 44
• Progressive improvements: ~5X speed-up from v12 to v15 • Model: 20 terminal backplane connector, DC to 20 GHz
• 80 core (8X10), matrix multiprocessing plus distributed frequency points
不同版本求解速度的提高
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
5.50
12 13 14 15
From v12 to v15
Total Speed
Adaptive Mesh Speed
Sweep Speed
4.6X from
v12 to v15
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 46
改进的 HPC设置界面
• Improved HPC/Analysis UI
• Improved accessibility
• Unification of solver options
• Smart assignment of cores to tasks
• Two level solutions, e.g. parameters then DDM
• Dynamic distribution preview
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 47
利用高性能计算仿真有限大阵列
• 天线阵列通常包含成百上千个单元 • 结构复杂，电尺寸大，建模困难 • 利用HFSS-HPC可实现快速方便的建模，以及精确快速的仿真。
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 48
利用DDM高性能计算求解有限大阵列
由基本单元构建阵列
-阵列蒙版Array mask
-稀疏阵列Sparse array
单元耦合、边缘效应、加权
效应全面计算
合成激励求解Composite
excitation
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 49
有限大阵列求解结果
整个阵列的场分布和辐射特性
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 50
有限大阵列：HFSS v15.03 Vs. HFSS 2014
Solution Time:4:49Min Total Memory: 710M
Solution Time:4:22min Total Memory: 1663MB
Same Result: Gain: 17.1dB
Solution Time:21:33Min Total Memory: 1718MB
Solution Time:1:45min Total Memory: 771MB
HFSS15.03
Composite Excitation Network Analysis
V2014: 41% Memory and 4X Faster!!
V2014: 46% Memory and 2.6X Faster!!
HFSS2014
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 51
80×80 Vivaldi 阵列天线计算
Unknowns 106 M
Meshes 19 M
RAM 90.7 GB
Time 3h 20min
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 52
辐射方向图仿真结果
Max Gain 44.09 dB
HPBW(φ=0) 1.049 deg
HPBW(φ=90) 1.055 deg
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 55
多层次高性能计算：提高求解规模和速度 Level 1 Distributed Variations
Level 2 Distributed
Memory
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 56
• 32 core DDM per variation
• Time for 8 variations, serial: 14:52:57
• 128 core ‘two level’
– Run four variations in parallel
– 3:39:38
• ~4X faster
层次化HPC:多级HPC并行计算
Helicopter Launch from Ship 32 cores each
128 cores
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 60
HFSS v2014 建模和后处理的改进
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 61
• ACIS R23.2
• SolidWorks and Autodesk Inventor importing
• Multi-lump sheet wrapping
• Rotated coordinate systems with Euler angles
三维建模功能改进
Wrap Multi-lumped Antenna
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 62
• UDMs and UDPs via IronPython
– Easier than C/C++ code
– Platform Independent
– Easy to combine with scripts to create complex models and toolkits
• Utility scripts, sample codes added to help create new UDM/UDPs quickly
利用IronPython实现 UDM/UDP
C/C++ Code Equivalent Python Code bool getAllFaces( long partId, long* numFaces, long** faceIds, void* callbackData);
faceIds = udmFunctionLibrary.GetAllFaces(partId)
long unite( long numParts, long* partds, void* callbackData); lret = udpFunctionLibrary.Unite(partIds)
long detachFaces( long nSize, long* faceIds, long* partIds, void* callbackData);
(lret, partIdList) = udpFunctionLibrary.DetachFaces(nSize, faceIds)
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 63
场后处理
# of Element (million)
Speed-up vs R14.5
1 core 10 cores
1.78 3.6X 13X
4.82 3X 7X
HFSS采用多个处理器提高大规模计算问题的后处理效率
February 23, 2009
Inventory #002593 © 2012 ANSYS, Inc. Release 15.0 64 May 26, 2014
高频研发方向
Transient solver to support new method
with dramatic (10-1000x) improved
performance of some electrically small
models.
Integral equation with MLFMM
acceleration envisioned to improve
performance of FEBI solver.
3D System Assembly is an envisioned
simulation environment combining the
usability of circuits with the accuracy of
3D FEM.
Integral equation solver to support a new
hybrid MoM/PO solver with balanced
accuracy vs. speed tradeoff.
对于电小问题的新算法，仿真速度提高10-1000x
矩量法将采用MLFMM进一步提高FEBI的性能。
矩量法将增加矩量法—物理光学法混合计算
精确的电路和电磁场算法的3D 系统集成
© 2011 ANSYS, Inc. May 26, 2014 66
谢谢！
丁海强 ANSYS 中国技术经理
新浪微博： @ANSYS丁海强
官方微博： @ANSYS中国
Related Documents
