ALPHA-Numerics GmbH

CFD Simulation für die Elektronikentwicklung

Bild: Alpha-Numerics

GPU hilft CFD-Berechnung (Promotion) CFD-Berechnungen nun mit GPU um ein Vielfaches verkürzt

01.03.2022

Was du heute kannst besorgen das dehne nicht bis morgen! Die Integration leistungsstarker Grafikprozessoren in die CFD-Welt verkürzt die Simulationszeit dramatisch. Wie? Das lesen Sie hier!

Wärmewege in Elektronischen Geräten umfassend berechnen – und das bis Morgen!

6SigmaET ist eine für die Entwicklung von Elektronischen Geräten zugeschnittene CFD-Software. Diese ermöglicht dem Entwickler, von der PCB-Konzeptionierung über die CAD-basierte Gehäusekonstruktion bis hin zum virtuellen Prototyp, die thermischen Herausforderungen vorherzusagen und die resultierenden Lösungskonzepte simulativ zu überprüfen. Solch Spezialsoftware entwickelt sich durch jährliche Releases immer weiter. Meist sind Funktionswünsche der Kunden oder Funktionsanforderungen neuer Märkte die Innovationstreiber für den Softwarehersteller. Doch stehen CFD-Tools in dem Ruf, zu komplex in der Handhabung zu sein und durch viel zu lange Rechenzeiten die Produktentwicklung aufzuhalten.

CFD-Simulation für Elektronikequipment kann so einfach ein

Aufgrund der Einsatzbereiche einer CFD-Software in der Elektronik-Geräteentwicklung ist es eigentlich ein leichtes, die Wissenschaft mit dem Ingenieurwesen zu verbinden und durch smarte Automatismen in der Software viele komplexe Einstellungen vorweg zu nehmen. Hier bedarf es eines „branchenspezifischen“ CFD-Tools wie 6SigmaET (Electronic Thermal).

Kurze Berechnungszeiten ohne Qualitätseinbußen am Simulationsergebnis!

6SigmaET hatte bisher schon das Alleinstellungsmerkmal, einen sehr großen Detailreichtum (bis zu 700 Millionen Lösungszellen möglich) an CAD-Daten und PCB-Details in seinen Simulationen auf normalen Windows-Workstations handhaben zu können. Auch bisher war, neben der Leichtigkeit, solche Modelle zu erstellen, die Geschwindigkeit bezüglich dem Solver sehr beeindruckend. So ist es nicht selten der Fall, dass der CFD-Solver 80 Millionen Zellenprojekte über Nacht bis zur Konvergenz berechnet (das Temperaturverhalten auf Basis von Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung im eingeschwungenen Zustand) und dem Ingenieur am nächsten Arbeitstag die Ergebnisse bereitstellt.

Doch die Aufgabenstellungen sind in den letzten Jahren in Ihrer Komplexität stark gewachsen. So müssen neue Elektronikgeräte nicht nur mehr und mehr Funktionen auf engeren Einbauraum beinhalten. Nein, sie müssen auch höhere Umgebungstemperaturen, hohe IP-Schutzklassen und eventuelle integrierte Energiekonzepte in unterschiedlichsten Extrembedingungen meistern.

So bietet eine Standardsimulation mit klaren Verlustleistungsträgern auf einer Leiterplatine und einem simulierten Ergebnis im eingeschwungenen Zustand nicht genügend aussagekräftige Details für die Beurteilung eines erfolgreichen Kühlkonzepts.

Neue Faktoren und Details wurden in den letzten Jahren vermehrt in den Simulationsmodellen verarbeitet.

Hierzu zählen:

  • detaillierte Abschattungssituationen für die Wärmestrahlung in den Geräten (Hotspot durch Strahlungsübertragung mit Teilabschattung)

  • neben thermischen Vias durch die PCB nun spezielle Raster von Micro-Vias oder Bured-Vias zwischen definierten Innenlagen

  • volldetaillierte Leistungskomponenten mit Bonding und echten CAD-Gehäusegeometrie und Pin-Anbindung an die PCB

  • bestromte Leitungsstrukturen, seien es mehrlagige PCBs oder Kupferschienen mit Sicherungen und Shunts für die Joule Berechnung der Wärmeverluste im Metall

  • transiente Betrachtung von Temperaturkurven in Aufwärm-, Abkühl- oder getakteten Situationen

  • unterschiedliche Oberflächenattribute großer CAD-Gehäusekörper ( zum Beispiel innen blank, außen lackiert)

  • Wärmeeinfluss von Sonnenstrahlung oder Höhenmeter am Prüfling

  • Fluidkühler mit Mikro-Turbulatoren als ein Detail in der Gesamtgerätesimulation

  • detaillierte Isolationskörper in Elektromotoren und Wärmesperren

6SigmaET kann sich durch seine Performance und somit dem Umgang von vielen Details in einem Simulationsmodell, schon seit geraumer Zeit an die Spitze der branchenspezifischen CFD-Tools in der Elektronikindustrie setzen. Doch die Einbindung der GPU in das GUI (Graphical User Interface = Bedienoberfläche der Software) und die Auslagerung verschiedener Rechenprozesse vor dem CFD-Solven haben die Arbeitsgeschwindigkeit mit 6SigmaET seit dem Release 16 immens beschleunigt.

Folgende Übersicht zu den Highlights aus Release 16 sollen Ihnen einen ersten Eindruck vermitteln, in welchen Bereichen sich der Release-Fokus „Beschleunigung“ in diesem Jahr umsetzen ließ:

  • Die Bedienoberfläche wird jetzt zum größten Teil direkt von der GPU beschleunigt

  • Konstruktionsfenster reagiert um ein Vielfaches schneller beim Modellieren

  • Grafikdarstellung der Modelle wirken sehr realistisch

  • Berechnete Oberflächentemperaturen werden schneller auf das Modell projiziert

  • Smarte, erweiterte Editormöglichkeiten für Farblegenden

  • Neben der Wärmestrahlungsberechnung (auch 2,75 mal schneller geworden) wird nun auch die Potentialberechnung für Joulesche Wärmequellen wie bestromte PCBs oder Kupferschienen auf die GPU ausgelagert (bis zu 325 mal schneller!).

  • Erweiterte Script-Programmierung via 6SigmaCommander nun für alle 6SigmaET-Anwender kostenlos erhältlich! Somit können der Solver sowie die Modellauswertung über externen Zugriff gesteuert werden

  • Automatisierte Reportfunktion wurde stark erweitert, um Ingenieuren das manuelle Erstellen von Ergebnisberichten zu verkürzen. Somit können auf Knopfdruck Ergebnisse mehrerer Modellversionen gleichzeitig exportiert werden.

  • 1D-Flow-Netzwerk kann nun mit dem 3D-Solver gekoppelt werden. So werden z.B. bei Kühlsystemen auch die Druckverhältnisse der Zu- und Ableitungen im CFD-Modell auf eine schnelle, elegante Art mit einbezogen.

  • Erweiterte Menümöglichkeiten bei Import von Leiterplatinen via ODB++ oder IPC2581, um schon bei Import Details je Signallage zu filtern.

  • Beschleunigte Berechnung einer Sonneneinstrahlung über eine neue Back-Tracing-Methode (bis zu 30 mal schneller)

Praxiserfahrungen durch Simulationsdienstleistung bestätigen die Vorteile

„Neben dem Softwarevertrieb und der Ausbildung unserer Kunden an 6SigmaET sammeln wir in unserem Ingenieurbüro auch jede Menge Erfahrungen durch beauftragte Simulationsaufgaben. So können wir den Geschwindigkeitsvorteil durch die Einbindung der GPU klar bestätigen. Eine transiente Simulation einer detaillierten Powerplatine mit embedded Halbleitern und erwärmten Kupferpfaden durch hohe Ströme, angebundenen an einen Fluidkühler, konnten von 21 Stunden auf 6 Stunden reduziert werden. Diese Zeitangaben bezieht sich nicht nur auf die Wärmestrahlungsberechnung und die Potenzialberechnung der Stromverteilung, sondern auf den gesamten CFD-Berechnungsprozess!“ erläutert Herr Best, Geschäftsführer bei Alpha-Numerics.

Die CFD-Simulation eines vollbestückten Elektroniksystems kann somit innerhalb von ein bis drei Tagen realisiert werden. Dies Umschließt den Modellaufbau, die Berechnung und die Auswertung. Kleine Baugruppensimulation von zum Biespiel Kühlkörperoptimierungen kann auch in wenigen Minuten realisiert werden. Es gilt immer: Die Aufgabenstellung gibt den Detailgrad des Simulationsmodells vor, um eine aussagekräftige Bewertung der Kühlstrategie treffen zu können.

Die Software gibt es als kostenlose Testversion, die Dienstleistung kostet keine Unsummen und ist relativ schnell umgesetzt. Doch die Entscheidung bleibt bei Ihnen. Alpha-Numerics berät sie gerne.

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