Grâce à des simulations, Fujitsu a démontré comment exploiter la puissance des ressources HPC via un environnement cloud pour exécuter des simulations précises de problèmes complexes d'ondes électromagnétiques à grande échelle qui ne pouvaient pas être résolus avec des algorithmes d'approximation conventionnels (2).

Fujitsu ambitionne de proposer, d'ici fin 2023 au Japon, des solutions et des services de conseil en matière de tests de compatibilité électromagnétique, en s'appuyant sur ses capacités d'analyse d'ondes électromagnétiques de haute précision, dans le cadre de son offre de services informatiques (CaaS). La multinationale japonaise promeut également une production durable, gage de croissance durable, sous l'égide de sa marque mondiale Fujitsu Uvance, afin de favoriser le respect de l'environnement et des personnes.

Arrière-plan

Les interférences électromagnétiques entre les composants électroniques et les équipements de communication constituent un défi constant pour les fabricants dans de nombreux domaines, notamment l'électronique, l'automobile et les équipements spatiaux, et la demande de solutions d'analyse électromagnétique pour déterminer la compatibilité électromagnétique est en constante augmentation.

Les simulations précises de problèmes complexes d'interférence d'ondes électromagnétiques à grande échelle nécessitent une puissance de calcul importante, et les utilisateurs n'ayant pas accès à un environnement HPC doivent effectuer des simulations à l'aide d'algorithmes d'approximation conventionnels qui n'offrent qu'une précision analytique limitée.

Fujitsu prévoit de proposer sa solution d'analyse des ondes électromagnétiques pour relever ce défi. Disponible sous forme d'application cloud, cette solution repose sur la méthode FDTD (3) pour obtenir des résultats précis et permettra aux utilisateurs de nombreux secteurs d'accéder facilement aux technologies informatiques de pointe de la multinationale.

Pour vérifier l'efficacité de sa solution en tant que nouveau service cloud, Fujitsu a mené des simulations d'ondes électromagnétiques à grande échelle dans les deux domaines suivants.

simulation-fujitusRésumé des tests de vérification

1. Évaluation quantitative des problèmes d'interférences électromagnétiques dans les télescopes spatiaux à rayons X les plus récents (étude de cas de l'Institut spatial et d'astronautique de la JAXA)

L'Agence d'exploration aérospatiale japonaise (JAXA) a utilisé la solution d'analyse d'ondes de Fujitsu pour réaliser des simulations d'ondes électromagnétiques à grande échelle, permettant d'évaluer l'intensité des ondes radio dans le spectromètre à rayons X (4) du satellite d'imagerie à rayons X XRISM(5). Grâce à cette solution, la JAXA a pu créer un environnement expérimental simulant les conditions d'observation dans l'espace et effectuer des évaluations impossibles à réaliser avec les méthodes informatiques classiques (6).

En conséquence, la JAXA a confirmé avec succès que l'intensité des ondes radio dans le spectromètre à rayons X XRISM est à un niveau qui n'affecte pas les performances d'observation du satellite, même en orbite.

Détails de la simulation :

- Cible d'analyse : satellite d'imagerie spectroscopique à rayons X XRISM.

- Échelle d'analyse : jusqu'à 193,5 milliards de carrés de grille -

- Durée d'analyse : 3 heures.

 

Commentaire de Masahiro Tsujimoto, professeur agrégé à l'Institut des sciences spatiales et astronautiques de la JAXA :

« Les simulations haute fréquence utilisent des modèles CAO de tous les satellites, ce qui était difficile à réaliser avec les méthodes informatiques traditionnelles, mais peut désormais être fait avec une solution unique grâce à Fujitsu. Cela représente une avancée technique significative dans la conception des satellites. Dans le cadre du projet de satellite XRISM, les résultats de cette simulation ont joué un rôle crucial dans l'évaluation quantitative des risques non vérifiés et dans la confirmation de la validité de la conception. »

2. Évaluation de la qualité de la communication entre les véhicules et les routes utilisant la 5G pour contribuer à une circulation plus sûre et à la prévention des accidents dans les zones urbaines.

simulation-fujitsu-3Fujitsu a réalisé des simulations d'ondes électromagnétiques à grande échelle à l'aide de sa solution d'analyse d'ondes afin d'évaluer la qualité des communications routières (5G haut débit) entre des émetteurs installés aux intersections et des récepteurs embarqués dans les véhicules. Ces simulations ont également permis à Fujitsu d'observer l'influence des obstacles, tels que les bâtiments environnants, les objets en bord de route et les autres véhicules en milieu urbain, sur la qualité de la communication (7).

En outre, Fujitsu a calculé directement l'intensité et la dispersion du délai (8) des ondes radio reçues par l'antenne de réception de chaque véhicule, à partir des émetteurs installés aux intersections et par le biais de simulations avec la méthode FDTD pour obtenir une évaluation précise de la qualité des communications.

En conséquence, la multinationale japonaise a réalisé avec succès des simulations d'ondes électromagnétiques en analysant un modèle d'une grande zone urbaine en tenant compte des ordres de longueur d'onde complexes(9) et a démontré que les simulations réalisées avec sa solution d'analyse d'ondes peuvent fournir des résultats précis qui intègrent l'effet d'interférence causé par des obstacles complexes dans les zones urbaines.

simulation-fujitsu-2Détails de la simulation :

- Objectif de l'analyse : Modèle urbain de la zone d'intersection comprenant un modèle détaillé des routes et des objets environnants (modèle de l'intersection située devant la gare de Musashinakahara sur la ligne JR Nambu à Nakahara-ku, ville de Kawasaki, préfecture de Kanagawa, Japon).

- Taille de l'analyse : 1 billion de carrés de grille.

- Durée d'analyse : environ 3 heures.

 

 

 

Remerciements

Les analyses mentionnées dans ce communiqué de presse ont été réalisées dans le cadre du projet de recherche collaborative « Étude d’un environnement d’exécution de logiciels de simulation scientifique sur Fugaku », visant à créer un service de test d’utilisabilité de type cloud utilisant les ressources de calcul du supercalculateur Fugaku, avec des ressources de calcul fournies par le Centre RIKEN pour les sciences computationnelles. (Projet n° : ra010012).


Notes
[1] Supercalculateur Fugaku : Ordinateur installé au RIKEN pour succéder au « ordinateur K ». De juin 2020 à novembre 2021, Fugaku a occupé la première place, pendant quatre années consécutives, dans quatre des principaux classements de supercalculateurs. Fugaku est accessible au partage de ressources depuis le 9 mars 2021.

[2] Algorithmes d'approximation : Méthode permettant d'obtenir efficacement, dans un délai raisonnable, la meilleure solution possible à un problème pour lequel il est difficile d'obtenir une solution exacte. Cependant, l'approximation est réalisée sous certaines contraintes, et un résultat proche de la solution exacte ne peut être obtenu que si ces contraintes sont satisfaites. Dans le cas contraire, il est impossible d'obtenir un résultat exact.

[3] Méthode FDTD : « Méthode des différences finies dans le domaine temporel ». Méthode de calcul informatique du comportement des ondes électromagnétiques. Solution exacte des équations de Maxwell, dans le temps et l’espace, par la méthode des différences finies.

[4] Spectromètre à rayons X: Un appareil qui détecte les ondes électromagnétiques dans la région des rayons X en les décomposant en longueurs d'onde individuelles.

[5] Satellite d'imagerie à rayons X XRISM : Mission d'imagerie et de spectroscopie des rayons X. Septième projet de satellite d'astronomie à rayons X de la JAXA, lancé en 2018 en collaboration avec la NASA et l'ESA. XRISM mesure de 5 à 6 mètres de long et a une forme cylindrique à 8 plans. Il est équipé d'un imageur à rayons X à grand champ de vision et d'un spectromètre à rayons X aux performances spectroscopiques parmi les plus élevées au monde, refroidi à des températures extrêmement basses.

[6] Le satellite d'imagerie spectroscopique à rayons X XRISM, dont le lancement est prévu pour l'exercice budgétaire 2022, est équipé d'un imageur à rayons X grand champ et d'un spectromètre à rayons X refroidi à très basse température. Les spectromètres à rayons X étant extrêmement sensibles même à de faibles apports d'énergie, il est nécessaire de minimiser l'influence du bruit sur ces instruments, causé par des signaux autres que ceux provenant des corps célestes, notamment les ondes radio utilisées pour les communications avec la Terre, afin de ne pas perturber les observations astronomiques. Normalement, les risques liés aux interférences électromagnétiques sont vérifiés par des tests embarqués sur satellite avant le lancement. Cependant, les spectromètres à rayons X refroidis à très basse température devant être conservés dans une chambre à vide et ne pouvant être ouverts sur Terre en raison des contraintes atmosphériques, les conditions d'observation au sol ne peuvent être reproduites à celles de l'espace, et une vérification suffisante n'a pas encore été possible. Pour résoudre ce problème, la JAXA a utilisé la solution d'analyse d'ondes de Fujitsu pour effectuer des simulations d'ondes électromagnétiques à grande échelle dans lesquelles le couvercle du réservoir à vide était ouvert sur la base d'une modélisation des données de la structure complexe et détaillée du satellite.

[7] La ​​qualité des communications entre véhicules et entre la route et les véhicules en milieu urbain est affectée non seulement par la distance de communication, mais aussi par les bâtiments environnants, les obstacles en bord de route et les autres véhicules. Pour garantir des communications 5G stables et à haut débit, il est essentiel d'évaluer la qualité de la communication, car ces effets s'accentuent avec l'augmentation du débit. L'analyse de la qualité de la communication s'est avérée complexe jusqu'à présent, les algorithmes d'approximation ne permettant pas d'évaluer l'impact des bâtiments complexes, des objets de grande taille et autres obstacles.

[8] Délai de diffusion de l'information : Indice qui influe sur le taux d'erreur en communication numérique. Plus sa valeur est élevée, plus la vitesse de communication risque de diminuer.

[9] Ordre de longueur d'onde : une longueur proche de la longueur d'onde des ondes électromagnétiques (par exemple, à 4,7 GHz, environ 6,4 centimètres). Si la complexité de la forme de l'objet est inférieure à cette longueur, une solution approchée ne peut être utilisée pour la simulation des ondes électromagnétiques ; il est alors nécessaire d'utiliser une solution exacte, telle que la méthode FDTD proposée par le logiciel d'analyse de Fujitsu.