Ansys 和 EMA 協助英特爾實現不可能的任務：整台伺服器的 EMI 模擬

電磁干擾 (EMI) 一直是電子產品開發人員面臨的挑戰，但隨著半導體尺寸縮小到 5nm 或更小，也因為組件更緊密地貼合在一起，並且時脈週期變更短，使得電磁干擾 (EMI) 變得越來越困難。許多公司陸續推動減少產品原型製作的步驟，並且在生產線上第一次就獲得成功，然而許多的阻礙也伴隨而來。

解決這些挑戰對於像英特爾這樣的電腦技術領導者來說尤其重要，因為他們不能被 EMI 的挑戰耽誤。因此，他們在 2020 年設定了目標─ ─同時模擬整台服務器的電磁特性，並讓首席工程師 Michael Leddige 和訊號完整性工程師 Cesar Mendez-Ruiz 負責該專案。

「訊號完整性與 EMI不同，您可以將問題分成小部分並分析它們，然後再將所有部分接合在一起，然而EMI 本質上是一個系統級的問題。」Mendez-Ruiz 表示。「因為它可能是由任何東西引起的——積體電路內部的矽電路，這是在納米層級上發生的事情； 封裝或散熱器； 或者更大的東西。例如電路中設計不良的電壓，將其所有能量注入電源層，然後輻射到各處。」

經過考驗的模擬

模擬平板電腦或筆記型電腦已經夠具有挑戰性了，但英特爾處理的是巨大的伺服器，高達 4 個標准單位 (4U)，包含多個處理器、內存、電纜和許多其他組件，更不用說伺服器周圍的金屬封裝了─ ─ 這些都可能會導致 EMI 問題。

Mendez-Ruiz 之前在  Ansys HFSS 和 Ansys SIwave 方面都取得了成功，但他認為解決完整伺服器 EMI 模擬的巨大挑戰需要額外的直接支援。他打電話給 Ansys 工程部門，全面地了解問題，並開始尋求一些幫助。

大約在這個時候，他看到了 EMA 的廣告，該廣告的電磁模擬軟體是透過 Ansys 獨家銷售的。他聯繫了 Ansys 以獲取評估授權，並且對結果很滿意。很快，英特爾、Ansys 和 EMA 工程師開始合作，改進 Ansys  Ansys EMA3D Cable 與 HFSS 和 SIwave 的相互操作性。

需求清單

為了描述項目的參數，英特爾制定了 HFSS、SIwave 和 EMA3D Cable 軟體的互操作性和功能性要求列表：

• EMA3D Cable 應該能夠從 SIwave 和 HFSS 匯入已解決的場域，用於英特爾的電子設備子組件。導入場域後，英特爾需要能夠旋轉和平移機櫃內子組件的位置。
• ·英特爾經常使用 EMI 吸收膠帶，因此 EMA3D Cable 必須具有模擬薄的、磁損耗材料的能力。
• 英特爾需要 EMA3D Cable 具有子網格功能，以提高模擬幾何關鍵部分的分辨率。
• EMA3D Cable 是一種時域模擬產品。然而，英特爾需要有模擬頻率相關材料的能力。

專案的成效與結果

最終，Ansys 和 EMA 滿足了所有要求，成功交付了軟體增強功能以支援模擬工作。詳細描述所有增強功能需要很長時間，因此我們將僅報告一些共同努力的成果。

HFSS 場域導入 EMA3D Cable

最初，對於並行工作的伺服器中的六個 PCIE 模塊，英特爾必須在伺服器六個位置中的每一個位置上運行 HFSS 六次，以便在將數據傳輸到 EMA3D Cable 時能將其放置在正確的位置。

「我需要等待一周才能進行一次模擬，並且需要運行六次，」Mendez-Ruiz 表示。 「新軟體讓我可以對傳感器應用線性變換，以正確的方式定位它們，這樣我就不必模擬相同的東西六次了。」

SIwave 場域匯入 EMA3D Cable

傳統上SIwave被用於模擬印刷電路板 (PCB) 和封裝的電磁近場。 現在，英特爾可以一鍵將數據輸出到 EMA3D Cable 中。 這是模擬工作流程的一大改進。

要對整個伺服器的複雜幾何進行網格劃分具有一定的挑戰性，並且可能非常耗時。 但是 EMA3D Cable 使用體素網格而不是有限元方法使用的傳統四面體，進而可以更快地完成較為寬鬆的網格。 這種幾乎即時的網格劃分節省了英特爾模擬準備時間。

快速準確的電纜建模

英特爾從將 EMA3D Cable納入其工作流程中，看到的最大改進是連接 PCB 的電纜模擬。以往的方式，工程師必須對電纜的每個幾何特徵進行建模，這很困難，因為它們涉及直徑小於一毫米的電線，這些電線以複雜、扭曲的方式編織在一起。這些密集編織的線極大地影響了電磁耦合。

EMA3D Cable 結合了兩個求解器：使用體素網格的 3D 結構求解器，以及基於多導體傳輸線理論的電纜求解器。屏蔽層、箔片和電纜的模型都是透過橫截面處理的。在模擬的過程中，當您看到電纜時，您看到的是 2D 橫截面，就好像您剛剛拿起一根電纜並用剪刀剪斷它一樣。 第三個維度——電纜的路徑存在於 3D 幾何中。簡而言之，一維線顯示了電纜的走向，二維橫截面顯示了該一維線的內容物。

Mendez-Ruiz 表示：「EMA3D 工具處理佈線的方式，就像是從計算範圍內其餘部分的體素網格中進行獨立的模擬一樣。」「它不必在初期就針對電纜進行網格劃分，但最終它將體素網格與電纜電報方程式模型 相結合，是一種前所未見的解決方案。」

借助這種獨特的兩部分模擬方法，英特爾可以在幾小時或幾天內模擬整個伺服器，而不是以往可能需要仰賴分析師花幾個月或幾年的時間來準備。

Mendez-Ruiz 表示：「挑戰的一部分是要考慮不同的場景——不僅是伺服器內的扭絞線束，還有不同的終端模組阻抗選項。」「您並不會總是使用一個電阻器或一個線性組件來對模組阻抗值進行建模。 您可以有不同的終端阻抗方式。 您還可以對斷路進行一些屏蔽，這會對電腦系統的性能產生巨大影響。 在這個專案期間，EMA 在這方面做出了一些重大改進。」

EMA3D 子網格網格化

另一個重大挑戰是在模型的全區域內開發一個子區域。英特爾希望用更精細的網格對子區域進行網格劃分，以便在重要的地方獲得更多模擬細節。

例如，在 PCIE 模型上，散熱器由不銹鋼薄疊片構成，需要非常小的網格尺寸才能正確網格化該子區域。如果沒有子區域，工程師將不得不將這種小網格尺寸套用於整個伺服器，包括不需要如此詳細模擬的區域。由於在不需要的區域中耗費了精準度，因此模擬將需要更長的時間來運行。

「如果沒有子區域，我會在伺服器的外部付出巨大的時間損失，」Mendez-Ruiz 表示。「因此在權衡之下，模擬一個完整的伺服器是不切實際的。因此，我們提出一個想法——製作一個具有非常精細網格的子區域，與一個具有較粗網格的全局域併存。這可以很好地網格化伺服器的其餘部分。 這是 Ansys 的主要發展之一，它成功實現模擬整個伺服器。」

專案的未來發展

Ansys 已滿足英特爾的所有要求，並繼續與英特爾合作，努力將所有這些增強功能整合在一起以模擬整個伺服器。

「就模擬工具的成熟度而言，我們目前處於很好的狀態，但我們現在正在努力開發我們自己內部的一套方法，」Mendez-Ruiz 表示。「工具就在那裡，但怎麼用呢？ 您如何設置它，以便您可以複製並與您在實驗室中進行的測量結果相符？」

Mendez-Ruiz提及，當模擬軟體在設計階段發現問題，並在進入實驗室之前就被解決，他就認為該專案已經完成。在 Mendez-Ruiz 看來，這就是完全成功的樣貌。 他相信，在英特爾、Ansys 和 EMA 的付出與努力下，到今年年底，他將能夠對一個完整的系統進行預測性建模，以在潛在的 EMI 問題發生之前消除它們。

Mendez-Ruiz 表示：「這個聯合計劃對英特爾來說影響甚遠，我們從無法考慮模擬整個伺服器到現在有了一些可行的東西。」「這是一個三方面的努力，也是使這個故事如此引人注目的原因。英特爾、Ansys 和 EMA 投入了一切必要的努力來實現這此一目標。這對我們所有人來說都是一個值得慶祝的勝利。」

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