GPU計(jì)算引領(lǐng)電磁仿真革命

    “采用NVIDIA?（英偉達(dá)?）GPU以及安捷倫開發(fā)的EMPro軟件解決方案，你可以用原先十分之一的時(shí)間進(jìn)行手機(jī)天線電磁仿真工作，讓手機(jī)的研發(fā)速度進(jìn)一步提升，提高整個(gè)手機(jī)設(shè)計(jì)行業(yè)的技術(shù)含量。”

——富士康天線集成處射頻經(jīng)理---熊鄴先生

    在上個(gè)世紀(jì)80年代，大哥大電話——手機(jī)的前身——在人們印象中被列為奢侈品行列。當(dāng)時(shí)，能夠擁有一部大哥大不僅僅是財(cái)富的象征，更多的代表權(quán)力與地位。而進(jìn)入2000年以來，手機(jī)已經(jīng)逐漸走下神壇，從企業(yè)白領(lǐng)、學(xué)生、公務(wù)員到普通百姓，人人都擁有一部甚至幾部手機(jī)。同時(shí)，手機(jī)的外觀設(shè)計(jì)，也從以往的大哥大一統(tǒng)天下向時(shí)尚、商務(wù)、多功能等領(lǐng)域演化。

    盡管手機(jī)的設(shè)計(jì)多種多樣，但是終究無法擺脫幾個(gè)要素：鍵盤、屏幕以及天線。其中天線設(shè)計(jì)的好與壞直接影響著手機(jī)的通話質(zhì)量以及手機(jī)對使用者腦部的輻射情況。早期的手機(jī)天線設(shè)計(jì)工作較為簡單，因?yàn)樵缙谑謾C(jī)天線多為外置型，手機(jī)設(shè)計(jì)完成后，只要將手機(jī)天線外接出來就可以進(jìn)行工作，而現(xiàn)在的手機(jī)天線多為內(nèi)置型，同時(shí)手機(jī)天線還需要包括GSM、藍(lán)牙、GPS等多種天線的多種作用，整體設(shè)計(jì)難度較之前有不小的提升。

    過去由于手機(jī)設(shè)計(jì)過程中對軟件仿真使用較少，主要依賴實(shí)物模擬，造成手機(jī)設(shè)計(jì)和推出的周期較長。而現(xiàn)在，采用支持CUDA加速的NVIDIA?（英偉達(dá)?）GPU以及安捷倫開發(fā)的ADS軟件解決方案，手機(jī)天線仿真速度提升了十倍，讓消費(fèi)者可以以最短的時(shí)間看到最新的手機(jī)產(chǎn)品。

    挑戰(zhàn)

    按照國外某著名廠商的解決方案，手機(jī)設(shè)計(jì)的方式主要分為8個(gè)T即8個(gè)步驟，其中首先是進(jìn)行手機(jī)的外觀設(shè)計(jì)，之后外觀設(shè)計(jì)完成之后進(jìn)行最重要的電路和天線的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案確實(shí)之后進(jìn)行生產(chǎn)以及檢驗(yàn)等。而手機(jī)天線設(shè)計(jì)方式主要分為兩個(gè)步驟：第一是采用軟件進(jìn)行電磁仿真模擬，確認(rèn)設(shè)計(jì)方案的可行性，調(diào)整后進(jìn)行第二個(gè)步驟，即實(shí)物仿真模擬。前者的優(yōu)勢是相對操作時(shí)間短，并且在成本上有較大優(yōu)勢。

    軟件仿真，相當(dāng)于我們仿照手機(jī)的模型周圍進(jìn)行分區(qū)。這些區(qū)域被分成非常非常細(xì)的小方塊，同時(shí)設(shè)計(jì)師還需要將手機(jī)的材質(zhì)、電路板的影響、手機(jī)喇叭的影響甚至是使用者手的影響考慮進(jìn)去。把一部手機(jī)分成小的方塊，分的越細(xì)，仿真結(jié)果就會(huì)越接近實(shí)際的使用情況。

    在以往手機(jī)天線的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員通常使用基于CPU的臺式機(jī)工作站進(jìn)行軟件仿真。由于CPU主要是以序列計(jì)算為主，并不適合電磁輻射的仿真模擬中M-Pro中傅里葉變換的計(jì)算，因此使用CPU從事仿真工作導(dǎo)致仿真時(shí)間較長——通常需要一周左右的時(shí)間完成軟件仿真。并且如果仿真結(jié)果出現(xiàn)問題，再次仿真需要花費(fèi)一樣長的時(shí)間。在手機(jī)產(chǎn)品不斷推陳出新的今天，這樣的效率根本無法達(dá)到手機(jī)廠商的要求。而如果不進(jìn)行軟件仿真，省去時(shí)間直接進(jìn)行實(shí)物測試，如果發(fā)生問題，在時(shí)間和成本上的投入將會(huì)非常巨大。

    解決

    2008年下半年，NVIDIA?（英偉達(dá)?）與安捷倫公司宣布合作開發(fā)針對于安捷倫EMprot天線設(shè)計(jì)軟件的加速技術(shù)，將GPU并行處理的理念導(dǎo)入EMPro電磁模擬中。NVIDIA?（英偉達(dá)?）的基于CUDA的計(jì)算加速硬件顯著地加快了安捷倫的EMpro軟件FDTD仿真器的速度。

    舉例來說，過去仿真一個(gè)比較復(fù)雜的手機(jī)模型，大約需要一周的時(shí)間，而現(xiàn)在采用NVIDIA?（英偉達(dá)?）GPU并行計(jì)算解決方案之后，僅需要約兩天的時(shí)間就可以完成。

    “我們所要做的工作是根據(jù)客戶的需要制定解決方案，”安捷倫公司邊業(yè)超先生表示“仿真一部手機(jī)天線需要數(shù)天甚至更長的時(shí)間，而我們平日的工作時(shí)間僅有8個(gè)小時(shí)。這就相當(dāng)于我們的工程師工作了一天也不可能完成一次仿真，第二天還要繼續(xù)前一天的成果，并且要保證運(yùn)算的數(shù)據(jù)沒有發(fā)生任何錯(cuò)誤，這樣一來整個(gè)一道仿真工序花費(fèi)的時(shí)間非常長�，F(xiàn)在憑借NVIDIA?（英偉達(dá)?）GPU和安捷倫的一套軟硬件解決方案之后，采用“并行的硬件”與“并行的軟件”相結(jié)合，工程師可以在很短時(shí)間內(nèi)完成仿真工序�！�

    影響

    相對于以往費(fèi)時(shí)的軟件仿真方式，現(xiàn)在采用GPU并行計(jì)算軟硬件解決方案已經(jīng)使手機(jī)天線軟件電磁場仿真這一領(lǐng)域有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。作為電磁場仿真的全球頂尖企業(yè)，安捷倫公司無疑在此領(lǐng)域中走在了行業(yè)的急先鋒位置。

    2009年初，全球最大的手機(jī)代工廠富士康公司建立了天線集成處，開始從事天線的研發(fā)生產(chǎn)，部門建立之初就和安捷倫英偉達(dá)緊密合作，評估并引進(jìn)該套軟硬件解決方案，并且在對其原服務(wù)器進(jìn)行簡單升級后，成功投入實(shí)際應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，由之前的僅有1-2項(xiàng)目進(jìn)行軟件仿真，發(fā)展到大部分項(xiàng)目均進(jìn)行軟件仿真，并且由于仿真效果非常接近實(shí)物模擬，為客戶節(jié)省了大量的研發(fā)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。

    富士康天線集成處電磁仿真主管-郝偉東先生表示：“我們很難用數(shù)字衡量NVIDIA?（英偉達(dá)?） GPU并行計(jì)算和安捷倫EMPro軟件為富士康天線集成處增加的有形資產(chǎn)，但是我們最看重的還是這套解決方案為我們增加的無形價(jià)值。富士康是原先一家以生產(chǎn)為主的制造型企業(yè)，企業(yè)早期的設(shè)計(jì)附加值比較低。而現(xiàn)在引入天線設(shè)計(jì)項(xiàng)目很多，使用安捷倫EMPro天線設(shè)計(jì)軟件和GPU加速技術(shù)幫助我們在更短的時(shí)間內(nèi)完成用戶交給我們的任務(wù)。而這正符合我們‘科技的富士康’的公司精髓。”

    關(guān)于NVIDIA?（英偉達(dá)TM）公司

    1999年，NVIDIA?（英偉達(dá)）公司（納斯達(dá)克代碼：NVDA）發(fā)明了圖形處理器（GPU），讓全世界重新認(rèn)識了計(jì)算機(jī)圖形的威力。自那時(shí)起，NVIDIA?（英偉達(dá)?）不斷為視覺計(jì)算樹立全新標(biāo)準(zhǔn)，其令人嘆為觀止的交互式圖形產(chǎn)品可廣泛用于便攜式媒體播放器、筆記本、工作站等各種設(shè)備之上。NVIDIA?（英偉達(dá)）在可編程GPU（圖形處理器）方面擁有先進(jìn)的專業(yè)技術(shù)，在并行處理方面實(shí)現(xiàn)了諸多突破，從而普及了低價(jià)超級計(jì)算機(jī)的使用。在《財(cái)富》雜志半導(dǎo)體行業(yè)創(chuàng)新排行榜上，NVIDIA?（英偉達(dá)?）連續(xù)兩年位居榜首。