Ansys y EMA ayudan a Intel a lograr lo imposible: simulación EMI de un servidor completo

La interferencia electromagnética (EMI) siempre ha sido un desafío para los desarrolladores de productos electrónicos, pero se está volviendo cada vez más difícil a medida que las geometrías de los semiconductores se reducen a 5 nm y menos a medida que los componentes se amontonan más juntos y las velocidades del ciclo del reloj disminuyen. Otro obstáculo surge a medida que las empresas se esfuerzan por eliminar la mayoría de los pasos de creación de prototipos y lograr el éxito por primera vez desde la línea de fábrica.

Resolver estos desafíos es especialmente importante para una empresa como Intel, líder en tecnología informática, que no puede retrasarse por los desafíos de EMI. Entonces, en 2020 establecieron el objetivo de simular las propiedades electromagnéticas de un servidor completo simultáneamente, y pusieron a cargo del proyecto al ingeniero principal, Michael Leddige, y al ingeniero de integridad de señal, César Méndez-Ruiz.

“A diferencia de la integridad de la señal, donde puede cortar su problema en partes pequeñas y analizarlas y luego volver a unir todas las partes, EMI es, en esencia, un problema a nivel del sistema”, dice Méndez-Ruiz. “Porque puede ser causado por cualquier cosa: el circuito de silicio dentro del circuito integrado, que es algo que sucede a nivel nanométrico; el paquete o el disipador de calor; o algo más grande como un voltaje mal diseñado en el circuito que inyecta toda su energía en el plano de potencia y luego la irradia por todas partes”.

Poniendo a prueba la simulación

Simular una tableta o una computadora portátil sería lo suficientemente desafiante, pero Intel trabaja con servidores enormes, de hasta 4 unidades estándar (4U) de alto, que contienen múltiples procesadores, memoria, cables y muchos otros componentes, sin mencionar el paquete metálico alrededor del servidor, que puede causar problemas de EMI.

Méndez-Ruiz tuvo éxito con Ansys HFSS y Ansys SIwave, pero sintió que el desafío extremo de abordar la simulación EMI del servidor completo requería soporte directo adicional. Llamó al departamento de ingeniería de Ansys, definió el alcance total del problema y pidió ayuda.

Por esa época, vio un anuncio de EMA, cuyo software de simulación electromagnética se vendía exclusivamente a través de Ansys. Se puso en contacto con Ansys para obtener una licencia de evaluación y le gustaron los resultados. Pronto, los ingenieros de Intel, Ansys y EMA trabajaron juntos para mejorar la interoperabilidad del cable Ansys EMA3D con HFSS y SIwave.

Una lista de solicitudes

Para delinear los parámetros del proyecto, Intel desarrolló una lista de requisitos para la interoperabilidad y la funcionalidad del software HFSS, SIwave y EMA3D Cable:

• + EMA3D Cable debería poder importar campos resueltos de SIwave y HFSS para los subcomponentes de dispositivos electrónicos de Intel. Una vez que se importaron los campos, Intel necesitaba la capacidad de rotar y traducir la posición de los subcomponentes dentro del gabinete.
• + Intel solía usar cintas absorbentes de EMI, por lo que el cable EMA3D debe tener la capacidad de simular materiales delgados con pérdidas magnéticas.
• + Intel necesitaba el cable EMA3D para tener una capacidad de subred para aumentar la resolución de partes clave de la geometría de simulación.
• + EMA3D Cable es un producto de simulación en el dominio del tiempo. Sin embargo, Intel necesitaba la capacidad de simular materiales dependientes de la frecuencia.

Resultados del Proyecto

Finalmente, Ansys y EMA cumplieron con todos los requisitos y entregaron mejoras de software para respaldar el esfuerzo de simulación. Sería demasiado largo describir todas las mejoras en detalle, por lo que solo informaremos sobre algunos de los resultados del esfuerzo conjunto.

Importación de campo HFSS en cable EMA3D

Inicialmente, para seis módulos PCIE en un servidor trabajando en paralelo, Intel tendría que ejecutar HFSS seis veces por separado con el módulo en cada una de las seis posiciones en el servidor para que cuando los datos se transfirieran a EMA3D Cable se colocaran en el ubicación correcta.

“Tuve que esperar una semana para una simulación y tuve que ejecutarla seis veces”, dice Méndez-Ruiz. “El nuevo software me permite aplicar transformaciones lineales a los sensores para colocarlos de la manera correcta y así no tener que simular lo mismo seis veces”.

Importación de campo SIwave en EMA3D Cable

SIwave se usa tradicionalmente para simular el campo cercano electromagnético de placas de circuito impreso (PCB) y paquetes. Ahora, Intel puede exportar esos datos con un solo clic a EMA3D Cable. Esta es una gran mejora en el flujo de trabajo de simulación.

Combinar la geometría compleja de un servidor completo presenta varios desafíos y puede llevar mucho tiempo. Pero EMA3D Cable utiliza una malla de cuadrícula vóxel en lugar de los tetraedros tradicionales utilizados por el método de elementos finitos, lo que da como resultado una malla indulgente que se puede completar mucho más rápido que antes. Esta malla casi instantánea ahorra tiempo de preparación de la simulación de Intel.

Modelado rápido y preciso de cables

Quizás la mayor mejora que vio Intel al incorporar el cable EMA3D en su flujo de trabajo fue la simulación de los cables que conectan las PCB. Anteriormente, los ingenieros tenían que modelar cada característica geométrica del cable, lo cual es difícil porque involucran alambres de menos de un milímetro de diámetro que se trenzan en configuraciones complejas y retorcidas. Estas trenzas o tejidos afectan en gran medida el acoplamiento electromagnético.

EMA3D Cable combina dos solucionadores: el solucionador para la estructura 3D que utiliza la malla de rejilla vóxel y un solucionador basado en la teoría de líneas de transmisión multiconductores para los cables. Los modelos para las pantallas, las láminas y los cables se manipulan a través de la sección transversal. En la simulación, cuando ve el cable, está viendo la sección transversal 2D como si simplemente tomara un cable y lo cortara con unas tijeras. La tercera dimensión, la ruta del cable, vive en la geometría 3D. Esencialmente, una línea unidimensional muestra dónde va el cable y la sección transversal 2D revela qué hay dentro de esa línea unidimensional.

“La herramienta EMA3D maneja el cableado como una simulación independiente de la malla de cuadrícula de vóxeles del resto de la computadora”, dice Méndez-Ruiz. «No tiene que mallar los cables inicialmente, pero al final combina la malla vóxel con la representación 2D de los cables para encontrar una solución de una manera que no se podía hacer antes».

Con este método único de simulación de dos partes, Intel puede simular un servidor completo en horas o días, en lugar de lo que en el pasado podría haber tomado meses o tal vez años para prepararse como analista.

“Parte del desafío fue tener en cuenta diferentes escenarios, no solo la torsión de cables dentro de un servidor, sino también diferentes opciones de terminación”, dice Méndez-Ruiz. “No siempre terminas con una sola resistencia o un componente lineal. Puede tener diferentes escenarios de terminación. También puede tener algo de protección contra un circuito abierto, lo que puede tener enormes implicaciones en el rendimiento del sistema informático. EMA ha realizado algunas mejoras significativas en esta área durante este proyecto”.

Mallado de subred EMA3D

Otro gran desafío fue desarrollar un subdominio dentro del dominio global del modelo. Intel quería unir el subdominio con una cuadrícula más fina para obtener más detalles de simulación en lugares donde eso era importante.

Por ejemplo, en un modelo PCIE, un disipador de calor se construye a partir de láminas delgadas de acero inoxidable, lo que requiere un tamaño de cuadrícula muy pequeño para engranar correctamente este subdominio. Sin un subdominio, un ingeniero tendría que aplicar este tamaño de malla pequeño a todo el servidor, incluidas las áreas que no necesitan una simulación tan detallada. La simulación tardaría más en ejecutarse debido a la precisión desperdiciada en áreas que no la requieren.

“Sin un subdominio, pago una gran penalización de tiempo en la parte exterior del servidor”, dice Méndez-Ruiz. “No es práctico simular un servidor completo si tienes que vivir con la penalización. Por lo tanto, solicitamos una opción para crear un subdominio con un tamaño de celda muy fino, que existiera junto con un dominio global con una malla más gruesa que haría un buen trabajo en la malla del resto del servidor. Este fue uno de los principales desarrollos de Ansys que permitirá simular un servidor completo”.

El futuro del proyecto

Ansys ha cumplido con todas las solicitudes de Intel y continúa trabajando con ellos mientras trabajan para reunir todas estas mejoras para simular un servidor completo.

“Actualmente estamos en un buen estado en cuanto a la madurez de las herramientas de simulación, pero ahora estamos tratando de desarrollar nuestra metodología interna”, dice Méndez-Ruiz. “La herramienta está ahí, pero ¿cómo la usas? ¿Cómo lo configura para que pueda replicar y correlacionar con las mediciones que realiza en el laboratorio?»

Él dice que considerará que el proyecto está terminado cuando el software de simulación detecte un problema en la etapa de diseño y lo resuelva antes de que lo vean en el laboratorio. Así es como se ve el éxito completo para Méndez-Ruiz. Confía en que para finales de este año podrá modelar de manera predictiva un sistema completo para eliminar posibles problemas de EMI antes de que ocurran, gracias al arduo trabajo de Intel, Ansys y EMA.

“El impacto de este programa conjunto en Intel ha sido que pasamos de no poder siquiera considerar simular un servidor completo a ahora tener algo que es factible”, dice Méndez-Ruiz. “Fue un esfuerzo de tres vías y eso es lo que hace que esta historia sea tan convincente. Intel, Ansys y EMA invirtieron todo el esfuerzo necesario para que esto sucediera. Es una gran victoria para todos nosotros”.