Ansys和EMA帮助英特尔实现不可能的:整个服务器的电磁干扰仿真

电磁干扰(EMI)一直是电子产品开发人员面临的一个挑战，但随着半导体几何尺寸缩小到5nm甚至更小，随着元件之间的距离越来越近，时钟周期速度也在下降，这一问题变得越来越困难。另一个障碍是，许多公司都在努力消除大多数原型制作步骤，并在生产线上取得首次成功。

解决这些挑战对于像英特尔这样的公司尤其重要，英特尔是计算机技术的领导者，不能被EMI的挑战所拖延。因此，在2020年，他们设定了一个目标，即同时模拟整个服务器的电磁特性，他们让首席工程师迈克尔·莱德迪格和信号完整性工程师塞萨尔·门德斯-鲁伊斯负责这个项目。

门德斯-鲁伊斯说:“与信号完整性不同，在信号完整性中，你可以把问题分成小块进行分析，然后把所有的小块重新组合起来，而EMI本质上是一个系统级问题。”“因为它可能是由任何东西引起的——集成电路内部的硅电路，这是发生在纳米水平上的事情;包装或散热器;或者更大的问题，比如电路中设计不良的电压，将所有能量注入电源平面，然后辐射到各处。”

模拟测试

模拟平板电脑或笔记本电脑已经足够具有挑战性了，但英特尔处理的是巨大的服务器，高达4个标准单元(4U)高，包含多个处理器，内存，电缆和许多其他组件-更不用说服务器周围的金属封装-可能导致EMI问题。

门德斯-鲁伊斯之前在这两方面都取得了成功Ansys基于和Ansys SIwave，但也感受到了处理整个服务器的极端挑战EMI模拟需要额外的直接支持。他叫来Ansys工程部，确定了问题的全部范围，并寻求帮助。

大约在这个时候，他看到了EMA的一则广告，该公司的电磁仿真软件是通过Ansys独家销售的。他向Ansys申请了评估许可，并对结果表示满意。很快，英特尔、Ansys和EMA的工程师就开始共同努力，以提高系统的互操作性Ansys EMA3D电缆用HFSS和SIwave。

要求一览表

为了描述该项目的参数，英特尔制定了HFSS、SIwave和EMA3D Cable软件的互操作性和功能需求列表:

• EMA3D Cable应该能够为Intel的电子器件子组件从SIwave和HFSS中导入求解字段。一旦字段被导入，英特尔需要能够旋转和转换外壳内子组件的位置。
• 英特尔经常使用EMI吸收磁带，因此EMA3D电缆必须具有模拟薄的磁性损耗材料的能力。
• 英特尔需要EMA3D电缆具有子网格功能，以提高模拟几何结构关键部分的分辨率。
• EMA3D Cable是一款时域仿真产品。然而，英特尔需要模拟频率相关材料的能力。

项目成果

最终，Ansys和EMA满足了所有要求，并提供了支持仿真工作的软件增强功能。详细描述所有的增强将花费很长时间，因此我们将只报告共同努力的一些结果。

HFSS Field Import into EMA3D Cable

最初，对于服务器中的六个PCIE模块并行工作，英特尔将不得不在服务器的六个位置中的每个位置运行六次HFSS模块，以便当数据传输到EMA3D电缆时，它将被放置在正确的位置。

门德斯-鲁伊斯说:“我需要等待一个星期才能进行一次模拟，我需要运行六次。”“新的软件可以让我对传感器进行线性变换，以正确的方式定位它们，这样我就不必模拟同样的事情六次了。”

波形场导入到EMA3D电缆

传统上，SIwave被用于模拟电磁近场印刷电路板(pcb)和封装．现在，英特尔可以一键导出数据到EMA3D电缆。这是仿真工作流程的一大改进。

对整个服务器的复杂几何结构进行网格划分存在一些挑战，并且可能很耗时。但是，EMA3D Cable使用体素网格，而不是有限元方法使用的传统四面体，因此可以比以前更快地完成网格。这种几乎即时的网格划分节省了英特尔模拟准备时间。

快速准确的电缆建模

也许英特尔从将EMA3D电缆纳入其工作流程中看到的最大改进是连接pcb的电缆的模拟。以前，工程师们必须对电缆的每一个几何特征进行建模，这很困难，因为它们涉及到直径不到一毫米的电线，这些电线以复杂的扭曲结构编织在一起。这些辫子，或编织，极大地影响了电磁耦合。

EMA3D电缆结合了两个求解器:使用体素网格的三维结构求解器和基于多导体传输线理论的电缆求解器。屏蔽，箔片和电缆的模型都是通过横截面处理的。在模拟中，当你看到电缆时，你看到的是二维横截面，就好像你拿起一根电缆，用剪刀剪断它。第三个维度——电缆的路径——存在于三维几何中。从本质上讲，一条一维线显示了电缆的去向，二维横截面显示了一维线内部的情况。

Mendez-Ruiz说:“EMA3D工具处理布线就像独立于计算机其余部分的体素网格网格模拟一样。”“它一开始不需要对电缆进行网格化，但最终它将体素网格与电缆的2D表示相结合，以一种以前无法做到的方式提出解决方案。”

通过这种独特的两部分模拟方法，英特尔可以在数小时或数天内模拟整个服务器，而不是过去分析师可能需要数月或数年的准备时间。

门德斯-鲁伊斯说:“部分挑战是要考虑不同的情况——不仅是服务器内部电缆的扭曲，还有不同的终端选择。”“你并不总是只使用一个电阻或一个线性元件。你可以有不同的终止方案。您还可以对开路进行一些屏蔽，这可能对计算系统的性能产生巨大影响。在这个项目中，EMA在这一领域做出了一些重大改进。”

EMA3D子网格划分

另一个巨大的挑战是在模型的全局域中开发子域。英特尔希望用更精细的网格来划分子域，以便在重要的地方获得更多的模拟细节。

例如，在PCIE模型上，散热器由不锈钢薄层构成，这需要非常小的网格尺寸来正确地网格化该子域。如果没有子域，工程师将不得不将这个小网格尺寸应用于整个服务器，包括不需要如此详细模拟的区域。模拟将花费更长的时间来运行，因为在不需要它的区域浪费了精度。

Mendez-Ruiz说:“如果没有子域名，我将在服务器的外部部分花费大量的时间。”“如果你必须忍受惩罚，那么模拟一个完整的服务器是不现实的。因此，我们要求一个选项来制作一个非常精细的单元大小的子域，与一个具有较粗网格的全局域一起存在，这将在划分服务器的其余部分方面做得很好。这是Ansys的主要发展之一，它将使模拟整个服务器成为可能。”

项目的未来

Ansys已经满足了英特尔的所有要求并继续与他们合作，因为他们正在努力将所有这些增强功能放在一起以模拟整个服务器。

门德斯-鲁伊斯说:“就模拟工具的成熟度而言，我们目前处于良好状态，但我们现在正在努力开发我们的内部方法。”“工具是有的，但你如何使用它?”你如何设置它，这样你就可以复制和关联你在实验室里做的测量?”

他说，当仿真软件在设计阶段捕捉到问题并在实验室中看到问题之前解决它时，他将认为项目已经完成。这就是门德斯-鲁伊斯眼中的完全成功。他相信，在英特尔、Ansys和EMA的努力下，到今年年底，他将能够预测出一个完整的系统模型，从而在潜在的电磁干扰问题发生之前消除它们。

门德斯-鲁伊斯说:“这个联合项目对英特尔的影响是，我们从甚至不能考虑模拟整个服务器，到现在有了一些可行的东西。”“这是一个三方的努力，这就是这个故事如此引人注目的原因。为了实现这一目标，英特尔、Ansys和EMA付出了一切必要的努力。这对我们所有人来说都是一个巨大的胜利。”

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