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HFSS（High Frequency Structure Simulator）是世界上第一款商業(yè)化的3D電磁仿真軟件。
由Ansoft公司在1990年開發(fā)并發(fā)布第一個(gè)版本。

2008年，Ansys收購了Ansoft，繼續(xù)開發(fā)HFSS等電子與電磁仿真產(chǎn)品，目標(biāo)是解決整個(gè)工業(yè)體系中機(jī)械與電氣領(lǐng)域的持續(xù)融合問題。

現(xiàn)在的HFSS，已經(jīng)成為天線、射頻RF或微波組件、高速互連、濾波器、連接器、IC封裝、PCB設(shè)計(jì)者必不可少的工具。世界各地的工程師使用 Ansys HFSS 軟件來設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、衛(wèi)星和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 產(chǎn)品中的高頻高速電子設(shè)備。

HFSS作為一款以麥克斯韋理論為基礎(chǔ)的數(shù)值仿真計(jì)算工具，如何摸準(zhǔn)TA的特性，借助計(jì)算機(jī)技術(shù)有效提升仿真效率，我們今天淺聊一下。

01
擴(kuò)展性低
大內(nèi)存單機(jī)是首選

我們在藍(lán)箭航天案例中提到過，不同的CAE應(yīng)用，對(duì)于底層資源的適配要求是不一樣的。

對(duì)于求解計(jì)算：
隱式算法，相對(duì)顯式算法來說，精度相對(duì)高。但可擴(kuò)展性不是很好，即在多臺(tái)機(jī)器上的線性加速比并不好，適合在多核大內(nèi)存機(jī)器上運(yùn)行，一般對(duì)內(nèi)存、IO要求比較高。
顯式算法，精度相比隱式算法低，但可擴(kuò)展性更好，即在多臺(tái)機(jī)器上的線性加速比相對(duì)較好，適合于多節(jié)點(diǎn)并行計(jì)算，對(duì)機(jī)器無特殊要求，一般對(duì)內(nèi)存、IO要求相對(duì)較低。

不同CAE業(yè)務(wù)場景的擴(kuò)展性排序大抵如下圖所示，從上往下逐步提高：

HFSS作為計(jì)算電磁學(xué)的典型應(yīng)用，在整個(gè)表的最上層，這代表其可擴(kuò)展性低，適合高配、高IO的單機(jī)，性能越高越好。

這是由于兩方面原因造成的：
1. 網(wǎng)絡(luò)通信開銷大
2. 內(nèi)存要求高

關(guān)于通信開銷，我們在Fluent實(shí)證和LS-DYNA實(shí)證中都提到過，隨著計(jì)算節(jié)點(diǎn)規(guī)模的增加，這兩個(gè)應(yīng)用有著很明顯的節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)交換造成的通信開銷，造成信息延時(shí)。
HFSS也是這樣，對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求極高。隨著CPU核心數(shù)量的增加，帶寬優(yōu)勢超過了核心效率。也就是說，堆機(jī)器不如堆網(wǎng)絡(luò)帶寬。
而在內(nèi)存上的要求，跟算法、精確度十分相關(guān)，很大程度上取決于對(duì)需求與價(jià)格的取舍。

整體來說，HFSS對(duì)內(nèi)存需求極高。根據(jù)我們的有限觀測，不同任務(wù)實(shí)際運(yùn)行的CPU核數(shù)與內(nèi)存比從1:5到1:23，差異巨大。單個(gè)任務(wù)對(duì)內(nèi)存需求動(dòng)輒幾百G，這類大內(nèi)存機(jī)器放在整個(gè)行業(yè)都屬于稀缺資源。

而結(jié)合以上這兩種需求場景，網(wǎng)絡(luò)要求高，內(nèi)存需求大，單臺(tái)大內(nèi)存機(jī)器成為不二之選。

我們?nèi)峦瞥龅?strong>FCC-E專有D區(qū)配置水平如下：

四大特點(diǎn)：
1. 專供超大內(nèi)存裸金屬機(jī)器；
2. 全新三/四代機(jī)器，性價(jià)比極高；
3. 三個(gè)月起租，短期/長期租賃皆可；
4. 可動(dòng)態(tài)拓展至通用C區(qū)。

超大內(nèi)存裸金屬機(jī)器，最大4T內(nèi)存，最高192核，完美滿足HFSS應(yīng)用需求。
單機(jī)多核心，帶寬不是問題。
內(nèi)存足夠大，無需工程師向精度與算法做妥協(xié)。
而且，資源足夠，價(jià)格感人，還不用長期持有。

詳情戳：專有D區(qū)震撼上市，高性價(jià)比的稀缺大機(jī)型誰不愛？

02
要是沒有大單機(jī)或者一臺(tái)不夠呢？
那就搞集群！

在過去，如果企業(yè)不購買成本極其高昂的大機(jī)器，工程師就不得不對(duì)規(guī)模和難度大的設(shè)計(jì)“拆分組合”處理，將幾何結(jié)構(gòu)分割成多個(gè)區(qū)域，到后期再合并結(jié)果。由于沒有考慮所有的電磁耦合，這種方法是極容易出錯(cuò)的。
或者，工程師直接簡化模型降低精度，以減少計(jì)算量。

現(xiàn)在，情況不同了，HFSS在HPC高性能計(jì)算技術(shù)方面下了不少工夫。
方法一：在算法層面的持續(xù)優(yōu)化與改進(jìn)，提供針對(duì)多核機(jī)器優(yōu)化的數(shù)值求解器與算法；
方法二：通過將HFSS與調(diào)度器集成，將多臺(tái)機(jī)器組成集群來求解大規(guī)模問題，不再受限于單臺(tái)機(jī)器的配置水平，滿足網(wǎng)絡(luò)帶寬要求就可以。
這兩種方法，工程師都能使用HFSS求解更大、更復(fù)雜的模型，而不會(huì)影響精度。

我們擅長的是方法二。
對(duì)研發(fā)工程師來說，使用集群有兩大好處：

一、提高了單人使用上限

我們把一臺(tái)臺(tái)獨(dú)立的單機(jī)集群化，也就是變成一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算資源池。在某種意義上來說，集群可以被看作是一臺(tái)大的計(jì)算機(jī)，集群中的單個(gè)計(jì)算機(jī)通常叫做節(jié)點(diǎn)，由這些節(jié)點(diǎn)合作完成用戶任務(wù)。
當(dāng)用戶把一個(gè)集群當(dāng)一臺(tái)大計(jì)算機(jī)使用的時(shí)候，單個(gè)用戶的資源上限由原來一臺(tái)機(jī)器的上限，變成了這個(gè)資源池的整體上限。
所以，HFSS對(duì)資源的高要求，由原來的一臺(tái)機(jī)器變成由這個(gè)資源池來整體滿足。

用戶可以將HFSS任務(wù)調(diào)度分布在多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行，也能通過在集群中劃分不同的仿真流程任務(wù)隊(duì)列及分配不同的資源隊(duì)列，并行執(zhí)行多個(gè)CAE設(shè)計(jì)流程。

說人話就是，一個(gè)任務(wù)可以拆分多機(jī)跑，多個(gè)任務(wù)可以同時(shí)跑，來了大任務(wù)也不用擔(dān)心被一臺(tái)機(jī)器的上限所限制。

二、提高了團(tuán)隊(duì)協(xié)作水平

單機(jī)模式下大家都是各用各的，缺乏協(xié)作，也沒有統(tǒng)一管理，無形中造成的溝通成本和損耗，其實(shí)并不小。

各種不同任務(wù)之間可能會(huì)出現(xiàn)資源爭搶，互相干擾。比如，兩個(gè)HFSS任務(wù)同時(shí)在一臺(tái)機(jī)器上跑可能出現(xiàn)內(nèi)存告警。

而集群模式下：
我們根據(jù)不同業(yè)務(wù)團(tuán)隊(duì)分工，為其在集群中劃分不同的獨(dú)立分區(qū)，這樣既保證了不同組的研發(fā)們能在同一個(gè)集群中工作，保留各自操作習(xí)慣，同時(shí)還互不干擾。

比如浙桂半導(dǎo)體的研發(fā)分為四個(gè)組，像元組的Sentaurus是搶資源大戶，往往他們的任務(wù)一上線，其他人就沒法用了。集群模式下的獨(dú)立分區(qū)可以很好地解決此類問題，戳這篇了解：【案例】95后占半壁江山的浙桂，如何在百家爭鳴中快人一步

同時(shí)，在建立起一套統(tǒng)一的使用規(guī)范基礎(chǔ)上，我們支持項(xiàng)目數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和權(quán)限控制，不同業(yè)務(wù)團(tuán)隊(duì)之間可以根據(jù)不同用戶權(quán)限共享計(jì)算、存儲(chǔ)、軟件資源等，整體上提高了整個(gè)團(tuán)隊(duì)的工作與協(xié)同效率。

當(dāng)然，除了研發(fā)工程師，對(duì)公司或團(tuán)隊(duì)管理者和IT工程師來說，集群的好處就更多了。

這里不再展開，可以參考：從“單打獨(dú)斗”到“同舟共集”，集群如何成為項(xiàng)目研發(fā)、IT和老板的最佳拍檔？

03
絕配！
自適應(yīng)網(wǎng)格剖分&Auto-Scale

一半時(shí)間畫網(wǎng)格，一半時(shí)間等仿真結(jié)果。
這恐怕是很多CAE工程師的日常。

HFSS的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)剖分技術(shù)，是在幾何結(jié)構(gòu)和邊界條件網(wǎng)格自動(dòng)生成的基礎(chǔ)上，根據(jù)電場梯度進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化和剖分，經(jīng)過若干次迭代，給出滿足精度要求的結(jié)果。這一技術(shù)減少了求解所需的網(wǎng)格數(shù)量，大大降低了電磁場仿真的難度。

HFSS自適應(yīng)剖分過程：自動(dòng)生成初始網(wǎng)格，網(wǎng)格加密細(xì)化迭代，直到收斂。
整個(gè)過程完全自動(dòng)化，無需人為干預(yù)。

這對(duì)廣大電磁場仿真工程師來說是非常大的利好，在減少工作量的同時(shí)降低了軟件的使用難度，讓工程師們可以將注意力完全放在如何得到好的仿真結(jié)果上。

接下來，讓我們換一個(gè)視角來看這個(gè)問題。

HFSS支持將整個(gè)自適應(yīng)網(wǎng)格剖分過程通過調(diào)度器進(jìn)行多步驟提交，我們的調(diào)度器Fsched提供的Auto-Scale功能與這個(gè)過程簡直是絕配。

最佳效果是分為三步：
第一步：初始網(wǎng)格生成，核數(shù)與內(nèi)存需求很低；
第二步：網(wǎng)格自適應(yīng)剖分，適度的核數(shù)與大量內(nèi)存需求；
第三步：頻率掃描，核數(shù)與內(nèi)存需求高。

三個(gè)階段需要的資源量差別很大。
同時(shí)，由于這一過程是自動(dòng)的，很難提前預(yù)估內(nèi)存需求。
對(duì)用戶來說，如果留的緩沖空間比較大，可能造成資源浪費(fèi)，留的空間小了，任務(wù)可能運(yùn)行失敗。

我們的Auto-Scale功能可以根據(jù)HFSS任務(wù)在不同步驟的實(shí)際需求動(dòng)態(tài)開啟云端資源，自動(dòng)使用較少的資源啟動(dòng)網(wǎng)格生成，而用較大的資源進(jìn)行第三步頻率掃描，并在任務(wù)完成后自動(dòng)關(guān)閉。
為每個(gè)步驟分配不同的資源量，最大程度匹配任務(wù)需求，提升任務(wù)成功率，減少資源浪費(fèi)。

更多應(yīng)用場景可戳：Auto-Scale這支仙女棒如何大幅提升Virtuoso仿真效率？

04
GPU
一個(gè)可能的選擇

從ANSYS HFSS 17.2開始，HFSS開始明確支持GPU加速。

一般來說，GPU可以加速可視化和后處理過程，提高工作效率。
是否選擇使用GPU對(duì)求解器進(jìn)行加速，主要還是取決于算法本身是否合適。

最新的ANSYS 2024 R1用戶手冊顯示GPU加速主要在以下三種場景：
1. 頻域求解器
2. 時(shí)域求解器
3. SBR+求解器

GPU加速需要占用HPC License，ANSYS Electronics HPC高性能選項(xiàng)模塊同時(shí)支持CPU加速和GPU加速，1個(gè)HPC Pack可以啟用1塊GPU加速卡或8個(gè)CPU內(nèi)核。

綜合對(duì)比硬件成本與運(yùn)算效率，目前業(yè)界普遍認(rèn)為使用GPU跑HFSS性價(jià)比不高。

實(shí)證小結(jié)

1. 網(wǎng)絡(luò)通信和內(nèi)存要求雙高，一般來說，用HFSS跑3D電磁仿真首選大內(nèi)存單機(jī)
2. 沒有大內(nèi)存單機(jī)或者一臺(tái)不夠的情況下，通過把HFSS與調(diào)度器集成，將多臺(tái)機(jī)器組成集群來求解大規(guī)模問題，能幫助用戶求解更大、更復(fù)雜的模型；
3. 自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)結(jié)合fastone研發(fā)平臺(tái)的Auto-Scale功能可提升任務(wù)成功率，減少資源浪費(fèi)。

本次CAE實(shí)證系列Vol.14就到這里了。
下一期，我們聊Abaqus。

關(guān)于fastone云平臺(tái)在各種CAE應(yīng)用上的表現(xiàn)，可以點(diǎn)擊以下應(yīng)用名稱查看：

Bladed │ Fluent │ LS-DYNA │ COMSOL

速石科技工業(yè)仿真行業(yè)白皮書，可以戳下方查看：
仿真宇宙|評(píng)測篇(上)|評(píng)測篇(下)

- END -

我們有個(gè)一站式工業(yè)研發(fā)平臺(tái)
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