Anhand von Simulationen demonstrierte Fujitsu, wie die Leistungsfähigkeit von HPC-Ressourcen in einer Cloud-Umgebung genutzt werden kann, um präzise Simulationen komplexer, großskaliger elektromagnetischer Wellenprobleme durchzuführen, die mit herkömmlichen Näherungsalgorithmen nicht gelöst werden konnten. ⁽²⁾.

Fujitsu plant, bis Ende des Geschäftsjahres 2023 in Japan Lösungen und Beratungsleistungen im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeitsprüfung anzubieten und dabei seine hochpräzisen Fähigkeiten zur elektromagnetischen Wellenanalyse als Teil seines Computing-as-a-Service-Portfolios (CaaS) zu nutzen. Der japanische Konzern fördert zudem die „nachhaltige Produktion“, um durch das Zusammenleben von Mensch und Umwelt Wachstum zu erzielen – ein zentraler Schwerpunkt seiner globalen Unternehmensmarke Fujitsu Uvance.

Hintergrund

Elektromagnetische Interferenzen zwischen elektronischen Bauteilen und Kommunikationsgeräten stellen für Hersteller in einer Vielzahl von Bereichen, darunter Elektronik, Automobile und Raumfahrttechnik, eine ständige Herausforderung dar, und die Nachfrage nach elektromagnetischen Analyselösungen zur Bestimmung der elektromagnetischen Verträglichkeit nimmt zu.

Genaue Simulationen komplexer, großflächiger elektromagnetischer Welleninterferenzprobleme erfordern Rechenleistung, und Benutzer ohne Zugang zu einer HPC-Umgebung müssen Simulationen mit herkömmlichen Näherungsalgorithmen durchführen, die nur eine begrenzte analytische Genauigkeit bieten.

Fujitsu plant, seine Lösung zur Analyse elektromagnetischer Wellen anzubieten, um dieser Herausforderung zu begegnen. Die als Cloud-Anwendung verfügbare Lösung basiert auf der FDTD- ⁽³⁾ , um präzise Ergebnisse zu erzielen, und ermöglicht Anwendern aus verschiedensten Branchen den einfachen Zugriff auf die fortschrittlichen IT-Technologien des multinationalen Unternehmens.

Um die Effektivität seiner Lösung als neuen Cloud-Dienst zu überprüfen, führte Fujitsu groß angelegte elektromagnetische Wellensimulationen in den folgenden beiden Bereichen durch.

Zusammenfassung der Verifizierungstests

1. Quantitative Bewertung von Problemen mit elektromagnetischen Störungen in den neuesten Röntgen-Weltraumteleskopen (Fallstudie des JAXA-Instituts für Raumfahrt und Astronautik)

Die japanische Raumfahrtbehörde JAXA nutzte Fujitsus Wellenanalyse-Lösung für groß angelegte elektromagnetische Wellensimulationen, um die Intensität von Radiowellen im Röntgenspektrometer (4) des JAXA-Röntgensatelliten XRISM⁽⁵⁾. Mithilfe der Fujitsu-Lösung konnte JAXA eine experimentelle Umgebung schaffen, die Beobachtungsbedingungen wie im Weltraum simuliert, und Analysen durchführen, die mit herkömmlichen Computermethoden nicht möglich gewesen wären ^(6).

Als Ergebnis konnte JAXA bestätigen, dass die Intensität der Radiowellen im Röntgenspektrometer XRISM auf einem Niveau liegt, das die Beobachtungsleistung des Satelliten auch im Orbit nicht beeinträchtigt.

Simulationsdetails:

- Analyseziel: XRISM Röntgenspektroskopischer Bildgebungssatellit.

- Analyseumfang: bis zu 193,5 Milliarden Rasterfelder -

- Analysezeit: 3 Stunden.

Kommentar von Masahiro Tsujimoto, außerordentlicher Professor am JAXA-Institut für Weltraum- und Astronautikwissenschaften:

„Hochfrequenzsimulationen nutzen CAD-Modelle aller Satelliten, deren Durchführung mit herkömmlichen Computermethoden schwierig war, dank Fujitsu nun aber mit einer einzigen Lösung möglich ist. Dies stellt einen bedeutenden technischen Fortschritt im Satellitendesign dar. Im XRISM-Satellitenprojekt spielten die Ergebnisse dieser Simulation eine entscheidende Rolle bei der quantitativen Bewertung nicht verifizierter Risiken und bei der Bestätigung der Gültigkeit des Designs.“

2. Bewertung der Qualität der Kommunikation zwischen Fahrzeugen und Straßen unter Verwendung von 5G, um zu einem sichereren Verkehr und zur Vermeidung von Unfällen in städtischen Gebieten beizutragen.

Fujitsu führte mithilfe seiner Wellenanalyselösung groß angelegte elektromagnetische Wellensimulationen durch, um die Qualität der straßenseitigen Kommunikation (Hochgeschwindigkeits-5G) zwischen an Kreuzungen installierten Sendern und in Fahrzeugen installierten Empfängern zu bewerten. In den Simulationen untersuchte Fujitsu auch den Einfluss von Hindernissen wie umliegenden Gebäuden, Objekten am Straßenrand und anderen Fahrzeugen im Stadtgebiet auf die Kommunikationsqualität. ⁽⁷⁾.

Darüber hinaus berechnete Fujitsu direkt die Intensität und die Laufzeitdispersion ⁽⁸⁾ der von den an den Kreuzungen installierten Sendern empfangenen Funkwellen an den Empfangsantennen jedes Fahrzeugs sowie durch Simulationen mit der FDTD-Methode, um eine genaue Bewertung der Kommunikationsqualität zu erreichen.

Als Ergebnis führte das japanische multinationale Unternehmen erfolgreich elektromagnetische Wellensimulationen durch, indem es ein Modell eines großen Stadtgebiets unter Berücksichtigung komplexer Wellenlängenordnungen⁽⁹⁾ und zeigte, dass Simulationen, die mit seiner Wellenanalyselösung durchgeführt wurden, genaue Ergebnisse liefern können, die die Auswirkungen von Interferenzen durch komplexe Hindernisse in Stadtgebieten berücksichtigen.

Simulationsdetails:

- Ziel der Analyse: Stadtmodell des Kreuzungsbereichs einschließlich eines detaillierten Modells der Straßen und der umliegenden Objekte (Modell der Kreuzung vor dem Bahnhof Musashinakahara an der JR Nambu-Linie in Nakahara-ku, Kawasaki City, Präfektur Kanagawa, Japan).

- Analysegröße: 1 Billion Rasterfelder.

- Analysezeit: Ungefähr 3 Stunden.

Danksagungen

Die in dieser Pressemitteilung erwähnten Analysen wurden im Rahmen des Projekts „Untersuchung einer Umgebung für die Ausführung wissenschaftlicher Simulationssoftware auf Fugaku“ durchgeführt, einem gemeinsamen Forschungsprojekt für einen Cloud-ähnlichen Usability-Testdienst, der die Rechenressourcen des Supercomputers Fugaku nutzt, wobei die Rechenressourcen vom RIKEN Center for Computational Science bereitgestellt werden. (Projektnummer: ra010012).

Anmerkungen
[1] Fugaku-Supercomputer: Ein Computer, der bei RIKEN als Nachfolger des „K-Computers“ installiert wurde. Von Juni 2020 bis November 2021 belegte Fugaku vier Jahre in Folge den ersten Platz in vier der wichtigsten Rankings für Hochleistungsrechner. Fugaku steht seit dem 9. März 2021 zur gemeinsamen Nutzung zur Verfügung.

[2] Approximationsalgorithmen: Eine Methode zur effizienten Ermittlung der bestmöglichen Lösung in realistischer Zeit für ein Problem, für das die exakte Lösung schwierig zu finden ist. Die Approximation erfolgt jedoch unter bestimmten Bedingungen, und ein Ergebnis, das nahe an der exakten Lösung liegt, kann nur dann erzielt werden, wenn diese Bedingungen erfüllt sind. Andernfalls ist eine exakte Lösung nicht möglich.

[3] FDTD-Methode: „Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich“. Eine Methode zur computergestützten Berechnung des Verhaltens elektromagnetischer Wellen. Sie stellt eine exakte Lösung der Maxwell-Gleichungen in Raum und Zeit mittels der Finite-Differenzen-Methode dar.

[4] Röntgenspektrometer: Ein Gerät, das elektromagnetische Wellen im Röntgenbereich detektiert, indem es sie in einzelne Wellenlängen zerlegt.

[5] XRISM-Röntgenbildgebungssatellit: Mission zur Röntgenbildgebung und -spektroskopie. JAXAs siebtes Projekt für Röntgenastronomie-Satelliten wurde 2018 in Zusammenarbeit mit NASA und ESA gestartet. XRISM ist 5 bis 6 Meter lang und hat eine zylindrische Form mit acht Ebenen. Er ist mit einem Röntgenbildgeber mit großem Sichtfeld und einem Röntgenspektrometer mit weltweit höchster spektroskopischer Leistung ausgestattet, das auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt wird.

[6] Der für das Fiskaljahr 2022 geplante Röntgenspektroskopie-Satellit XRISMist mit einem Weitfeld-Röntgenbildgeber und einem auf sehr niedrige Temperaturen gekühlten Röntgenspektrometer ausgestattet. Da Röntgenspektrometer selbst auf geringe Energieeinträge äußerst empfindlich reagieren, ist es notwendig, den Einfluss von Störungen durch andere Signale als die von Himmelskörpern – insbesondere durch Funkwellen zur Kommunikation mit der Erde – zu minimieren, um die Beobachtungsleistung nicht zu beeinträchtigen. Normalerweise werden Risiken elektromagnetischer Interferenzen durch Tests an Satelliten vor dem Start überprüft. Da die auf sehr niedrige Temperaturen gekühlten Röntgenspektrometer jedoch in einer Vakuumkammer aufbewahrt werden müssen und aufgrund der Atmosphäre nicht auf der Erde geöffnet werden können, lassen sich die gleichen Beobachtungsbedingungen wie im Weltraum bei bodengebundenen Experimenten nicht erreichen, und eine ausreichende Überprüfung war bisher nicht möglich. Zur Lösung dieses Problems nutzte JAXA die Wellenanalyselösung von Fujitsu, um groß angelegte elektromagnetische Wellensimulationen durchzuführen, bei denen der Deckel des Vakuumtanks auf Basis der Datenmodellierung der komplexen und detaillierten Struktur des Satelliten geöffnet wurde.

[7] Die Qualität der Fahrzeug-zu-Fahrzeug- und Straßenrand-zu-Fahrzeug-Kommunikation in städtischen Gebieten wird nicht nur durch die Kommunikationsdistanz, sondern auch durch umliegende Gebäude, Objekte am Straßenrand und andere Fahrzeuge beeinflusst. Um stabile und schnelle 5G-Kommunikation zu gewährleisten, ist die Bewertung der Kommunikationsqualität wichtig, da diese Einflüsse mit höheren Übertragungsgeschwindigkeiten zunehmen. Die Analyse der Kommunikationsqualität hat sich bisher als schwierig erwiesen, da Näherungsalgorithmen die Auswirkungen komplexer Gebäude, großer Objekte und anderer Hindernisse nicht berücksichtigen können.

[8] Informationsdiffusionsverzögerung: Ein Index, der die Fehlerrate in der digitalen Kommunikation beeinflusst. Je höher der Wert, desto wahrscheinlicher ist eine Verringerung der Kommunikationsgeschwindigkeit.

[9] Wellenlängenordnung: Eine Länge nahe der Wellenlänge elektromagnetischer Wellen (z. B. bei 4,7 GHz etwa 6,4 Zentimeter). Ist die Form des Objekts weniger komplex als diese Länge, kann in der elektromagnetischen Wellensimulation keine Näherungslösung verwendet werden; stattdessen muss eine exakte Lösung, wie beispielsweise die FDTD-Methode der Analysesoftware von Fujitsu, angewendet werden.