Simulering med superkrafter hjälper Ericsson bygga 5g-nät

2019-11-15 06:00  

Från en petflaska till hela 5g-system och kanske till och med läkemedel. Amerikanska Ansys vill simulera allt innan det existerar i verkligheten – med hjälp av miljontals datorer.

Ericsson, Volvo och Nokia betalar stora summor för att få tillgång till Ansys programvara för simulering. För att förklara vägen mot så namnkunniga kunder börjar Prith Banerjee klämma på en petflaska som står på bordet mellan oss i konferensrummet.

– Jag applicerar en kraft och flaskan kröker sig. Du kan se den kröka sig nu. Det går att göra en modell för hur mycket stress den tål, huruvida den kommer att gå sönder eller spricka. Du behöver inte bygga en fysisk produkt för att testa den här flaskan. Du bygger den genom simulering och den kommer att uppföra sig precis som i verkligheten. Det var så Ansys började för 50 år sedan.

Prith Banerjee, meriterad industriveteran med ett förflutet på ABB (han tillbringade mycket tid i, som han uttalar det, Vass-tärr-åås), HP och Schneider Electric, är teknikchef på amerikanska företaget Ansys, som säljer programvara för simulering. Tack vare vår kännedom om fysikens lagar kan Ansys alltså lista ut hur en produkt kommer att bete sig före den ens finns på riktigt.

När företaget grundades som Swanson Analysis Systems 1970 användes hålkort och stordatorer. I dag handlar det om multifysiksimulering med hjälp av artificiell intelligens och enorma beräkningar med superdatorer eller till och med miljontals processorkärnor i molnet.

Prith Banerjee rabblar upp milstolparna, en efter en:

– Efter att vi löst strukturell mekanik tog vi oss an strömningsmekanik (som beskriver en fluids rörelse, reds anm). Det var ett mycket svårare problem. När vi löst det frågade vi oss vad vi skulle angripa härnäst. Det var elektromagnetism. Och efter det? Optisk simulering. Du vet, alla grejerna du ser på autonoma fordon: kameror, lidar, radar, de behöver optik. Så simulering av ljus.

Läs mer: Sandviks jätte visar vägen för industrin

Därefter beslöt sig Ansys för att bemästra simulering av halvledare. Ny Teknik träffar Prith Banerjee i Kista under en 5g-konferens, och nästa generations mobilteknik passar bra för att beskriva vad Ansys gör i dag. Petflaskan på bordet, som Prith Banerjee då och då återkommer till, representerar som sagt en typ av simulering Ansys ägnade sig åt för 50 år sedan. För att testa ett 5g-system innan det ens existerar krävs något Ansys kallar multifysiksimulering.

Med 5g krymper komponenter, kommunikation sker på högre frekvenser och datatrafiken förväntas gå snabbare, med högre kapacitet och kortare svarstider. Det är omvittnat svår infrastruktur att bygga, i synnerhet om man vill göra det kostnadseffektivt.

Ett 5g-system innebär att olika fysiska lagar överlappar och kan påverka varandra. För att göra en verklighetstrogen simulering behövs alltså programvara som kan kombinera allt detta.

– Vi har ett chip som sitter på kretskort. Nåväl, när du applicerar de här högfrekventa grejerna på 28 gigahertz så blir chipen varma. På grund av värmen kan kretskortet expandera såpass att kortet kan spricka. Så det är mekanisk stress på chipet, okej? Då behövs vatten- eller lyftkylning av kretskortet, förklarar Prith Banerjee.

Till detta kommer förstås elektromagnetiska störningar och fenomen som överhörning. För att inte tala om antenndesign i 5g-eran, där signaler på höga frekvenser har kort räckvidd, något som innebär att fler antenner måste monteras med kortare avstånd mellan varandra.

– Det går inte att säga ”först tar jag den mekaniska biten och sedan tar jag hand om fluiderna”. Nej, du måste göra det i samma tidssteg. Det krävs simulering på en nivå inget annat företag i världen klarar av, säger Prith Banerjee.

Används till självkörande bilar

96 av de 100 högst placerade industriföretagen på Fortune 500 är Ansys-kunder. På företagets hemsida kan man läsa om samarbeten med Ferrari, BMW och Airbus. Motorer blir energisnålare, självkörande fordon och elektriska flygplan testas.

”Om du någon gång sett en raket skjutas upp, flugit med ett flygplan, kört en bil, använt en dator, vidrört en bärbar enhet, gått över en bro eller burit en wearable så har du förmodligen använt en produkt där Ansys programvara spelat en avgörande roll för dess tillkomst”, skryter företaget.

Lägligt nog har simulering fått nya superkrafter de senaste åren, tack vare artificiell intelligens, muskulösa grafikkort och molnteknik. Designprototyper av exempelvis 5g-antenner kan numera simuleras i tiotusentals varianter. Med maskininlärning kan ingenjörer serveras ett antal goda kandidater för ändamålet.

Prith Banerjee nämner ett partnerskap med RFS (Radio Frequency Systems).

– Det brukade ta RFS fyra dagar att ta fram prototyper för antenner. Med vår senaste programvara kan de göra det på en timme. Bara tänk på antalet prototyper de kan ta fram.

Han pekar på petflaskan igen.

– Förr hade man bara möjlighet att göra en design, bara en sorts flaska. Men om jag vill ha en annan sorts flaska då? En trekantig flaska? Det gick inte eftersom det tog för lång tid. Nu kan man göra så många fler. Det är det fina med produktinnovation driven av simulering.

Läs mer: Svensk teknik 3d-printar kugghjul av amorf metall: ”Guinness Rekordbok-nivå”

Ansys kunder använder superdatorer, men Prith Banerjee påpekar att även sådana har sina begränsningar.

– Kolla på molnspelarna, Amazon, Google och Microsoft. Deras system har inte 20 000 kärnor, de kan ha 20 miljoner. De kan skala upp. Inte på en plats utan på 20 olika platser runt om i världen. Om du har råd att köra sådana simulationer med 20 eller till och med 100 miljoner kärnor, tänk vilken acceleration du kommer att få. Sådana som Ericsson och Nokia kan nu göra mer precis, snabbare och bättre simulering. De kan simulera sånt som över huvud taget inte gick att simulera tidigare. Det är sann multifysiksimulering, med hjälp av artificiell intelligens och högpresterande datorer.

Ser resultatet i virtual reality

Andra tekniker som under 10-talet har blivit populära för industriella tillämpningar är virtuell och förstärkt verklighet (förkortat vr och ar). Ansys ambition är att sätta ett headset på ingenjören för att ge snabbare visuell återkoppling.

Normalt sett matas en design in i ett cad-verktyg (cad står för computer-aided design, eller datorstödd konstruktion). Designen delas in i geometriska figurer som kallas beräkningsnät, eller mesh. Med beräkningsnäten används sedan olika typer av ekvationer – en vanlig metod är den som kallas finita elementmetoden. Datorn räknar ut en lösning. Det är i korthet simuleringens hela förlopp.

Men så vill ingenjören göra en liten förändring.

– Den kan säga, ”okej, trycket vid den här punkten är .02, eller trycket vid den här punkten är .05”. Men det är bara nummer. Det är svårt för en ingenjör att bara se miljontals nummer. Så när simuleringen är klar visar man det på en 2d-skärm. Men objektet är i 3d. Det är här (vr- och ar-headseten) Oculus Rift och Microsoft Hololens kommer in i bilden.

Prith Banerjee tar ännu en gång tag i sin favoritpryl i konferensrummet, petflaskan, men låtsas nu att han håller i en virtuell version i en vr-miljö.

– Jag ser flaskan i 3d och hur den interagerar med den fysiska världen. Här rinner vatten som simuleras och ingenjören kan interaktivt jobba med simuleringsresultaten. Så vi bygger en plattform för detta som vi kallar VR Experience. Ingenjörer vill testa olika typer av designer och vr kommer att leda till mycket bättre forskning.

Om detta ligger i närtid, så finns det ännu mer exotiska saker vid horisonten. För Ansys kan inte simulera allt. Inte än åtminstone.

– Det vi tittar på är kemi. Den här flaskan är byggd av kemi, atomerna. Olika typer av atomer som interagerar med varandra. Kan man med en dator räkna på den kemiska och molekylära dynamiken för att få fram koefficienten av styvheten i materialet? I dag tar det en evighet att köra sådana modeller.

Åtminstone om man inte kör beräkningarna på de miljontals kärnorna i molnet Banerjee talade om ovan. Och vilka möjligheter öppnar sig då?

– Folk talar om 3d-utskrifter av biologisk vävnad. Nå, kan jag simulera det? Människor är gjorda av dna, molekyler. Om det går att simulera molekyler väldigt, väldigt snabbt så kan man simulera kemi och biologiska delar. Vi skulle till och med kunna simulera sjukdomar och olika läkemedels påverkan på dem. Det är sådant vi funderar på inför framtiden.

Petflaskan var som sagt bara början.

Ansys

Grundat: 1970.

Anställda: Omkring 2900.

Omsättning: 1,3 miljarder dollar (2018).

Gör: Programvara för simulering.

Peter Ottsjö

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt