Attraverso simulazioni, Fujitsu ha dimostrato come sfruttare la potenza delle risorse HPC in un ambiente cloud per eseguire simulazioni accurate di problemi complessi e su larga scala relativi alle onde elettromagnetiche, che non potevano essere risolti con i tradizionali algoritmi di approssimazione ⁽²⁾.

Fujitsu punta a offrire soluzioni e servizi di consulenza relativi ai test di compatibilità elettromagnetica, sfruttando le sue capacità di analisi delle onde elettromagnetiche ad alta precisione nell'ambito del suo portfolio Computing as a Service (CaaS) entro la fine dell'anno fiscale 2023 in Giappone. La multinazionale giapponese promuove inoltre la "produzione sostenibile" per raggiungere la crescita attraverso la coesistenza tra persone e ambiente, considerandola un'area di interesse fondamentale nell'ambito del suo marchio globale Fujitsu Uvance.

Sfondo

Le interferenze elettromagnetiche tra componenti elettronici e apparecchiature di comunicazione rappresentano una sfida costante per i produttori in una vasta gamma di settori, tra cui l'elettronica, l'automotive e le apparecchiature spaziali, e la domanda di soluzioni di analisi elettromagnetica per determinare la compatibilità elettromagnetica è in aumento.

Le simulazioni accurate di problemi complessi e su larga scala di interferenza di onde elettromagnetiche richiedono potenza di calcolo, e gli utenti che non hanno accesso a un ambiente HPC devono eseguire le simulazioni utilizzando algoritmi di approssimazione convenzionali che offrono solo una precisione analitica limitata.

Fujitsu prevede di offrire la sua soluzione di analisi delle onde elettromagnetiche per affrontare questa sfida. La soluzione, disponibile come applicazione basata su cloud, si basa sul metodo FDTD ⁽³⁾ per ottenere risultati accurati e consentirà agli utenti di un'ampia gamma di settori di accedere facilmente alle tecnologie IT avanzate della multinazionale.

Per verificare l'efficacia della sua soluzione come nuovo servizio cloud, Fujitsu ha condotto simulazioni su larga scala di onde elettromagnetiche nelle due aree seguenti.

Riepilogo dei test di verifica

1. Valutazione quantitativa dei problemi di interferenza elettromagnetica nei più recenti telescopi spaziali a raggi X (caso di studio dell'Istituto spaziale e astronautico JAXA)

L'Agenzia spaziale giapponese (JAXA) ha utilizzato la soluzione di analisi delle onde di Fujitsu per condurre simulazioni di onde elettromagnetiche su larga scala che hanno valutato l'intensità delle onde radio nello spettrometro a raggi X (4) del satellite per immagini a raggi X XRISM⁽⁵⁾. Utilizzando la soluzione di Fujitsu, la JAXA è stata in grado di generare un ambiente sperimentale che simula le condizioni di osservazione come nello spazio esterno ed eseguire valutazioni che non potevano essere effettuate con i metodi informatici tradizionali ^(6).

Di conseguenza, la JAXA ha confermato con successo che l'intensità delle onde radio nello spettrometro a raggi X XRISM è a un livello tale da non compromettere le prestazioni di osservazione del satellite, nemmeno in orbita.

Dettagli della simulazione:

- Obiettivo dell'analisi: satellite per l'imaging spettroscopico a raggi X XRISM.

- Scala di analisi: fino a 193,5 miliardi di celle della griglia -

- Tempo di analisi: 3 ore.

Commento di Masahiro Tsujimoto, Professore Associato presso l'Istituto di Scienze Spaziali e Astronautiche della JAXA:

"Le simulazioni ad alta frequenza utilizzano modelli CAD di tutti i satelliti, un'operazione che era difficile da eseguire con i metodi informatici tradizionali, ma che ora può essere realizzata con un'unica soluzione grazie a Fujitsu. Ciò rappresenta un significativo progresso tecnico nella progettazione satellitare. Nel progetto del satellite XRISM, i risultati di questa simulazione hanno svolto un ruolo cruciale nella valutazione quantitativa dei rischi non verificati e nella conferma della validità del progetto."

2. Valutazione della qualità della comunicazione tra veicoli e strade tramite il 5G per contribuire a una maggiore sicurezza stradale e alla prevenzione degli incidenti nelle aree urbane.

Fujitsu ha condotto simulazioni su larga scala di onde elettromagnetiche utilizzando la propria soluzione di analisi delle onde per valutare la qualità della comunicazione stradale (5G ad alta velocità) tra trasmettitori installati agli incroci e ricevitori installati nei veicoli. Nelle simulazioni, Fujitsu ha anche osservato l'effetto degli ostacoli, tra cui edifici circostanti, oggetti a bordo strada e altri veicoli nelle aree urbane, sulla qualità della comunicazione ⁽⁷⁾.

Inoltre, Fujitsu ha calcolato direttamente l'intensità e la dispersione del ritardo ⁽⁸⁾ delle onde radio ricevute dall'antenna ricevente di ciascun veicolo, dai trasmettitori installati agli incroci e attraverso simulazioni con il metodo FDTD per ottenere una valutazione accurata della qualità delle comunicazioni.

Di conseguenza, la multinazionale giapponese ha eseguito con successo simulazioni di onde elettromagnetiche analizzando un modello di una grande area urbana tenendo conto di ordini di lunghezza d'onda complessi⁽⁹⁾ e ha dimostrato che le simulazioni eseguite con la sua soluzione di analisi delle onde possono fornire risultati accurati che incorporano l'effetto di interferenza causato da ostacoli complessi nelle aree urbane.

Dettagli della simulazione:

- Obiettivo dell'analisi: Modello urbano dell'area di intersezione, comprensivo di un modello dettagliato delle strade e degli oggetti circostanti (modello dell'intersezione antistante la stazione di Musashinakahara sulla linea JR Nambu a Nakahara-ku, città di Kawasaki, prefettura di Kanagawa, Giappone).

- Dimensione dell'analisi: 1 trilione di quadrati della griglia.

- Tempo di analisi: circa 3 ore.

Ringraziamenti

Le analisi menzionate in questo comunicato stampa sono state condotte nell'ambito del progetto di ricerca collaborativa "Investigation of an environment for running scientific simulation software on Fugaku", volto a realizzare un servizio di test di usabilità in cloud che sfrutta le risorse di calcolo del supercomputer Fugaku, con il supporto del RIKEN Center for Computational Science (numero di progetto: ra010012).

Note
[1] Supercomputer Fugaku: un computer installato al RIKEN come successore del "computer K". Da giugno 2020 a novembre 2021, Fugaku si è classificato al primo posto, per quattro anni consecutivi, in quattro delle principali classifiche di computer ad alte prestazioni. Fugaku è stato reso disponibile per l'uso condiviso dal 9 marzo 2021.

[2] Algoritmi di approssimazione: un metodo utilizzato per ottenere in modo efficiente la migliore soluzione possibile, in un tempo realistico, a un problema per il quale è difficile ottenere una soluzione esatta. Tuttavia, l'approssimazione viene eseguita sotto un certo vincolo di condizioni e un risultato di calcolo vicino a una soluzione esatta può essere ottenuto solo quando il vincolo di condizioni è soddisfatto. Altrimenti, non è possibile ottenere un risultato di calcolo esatto.

[3] Metodo FDTD: "Metodo delle differenze finite nel dominio del tempo". Un metodo per calcolare il comportamento delle onde elettromagnetiche utilizzando un computer. È una soluzione esatta delle equazioni di Maxwell, nel tempo e nello spazio, mediante il metodo delle differenze finite.

[4] Spettrometro a raggi X: un dispositivo che rileva le onde elettromagnetiche nella regione dei raggi X scomponendole in singole lunghezze d'onda.

[5] XRISM X-ray Imaging Satellite: X-ray Imaging and Spectroscopy Mission. Il settimo progetto di satellite per l'astronomia a raggi X della JAXA, lanciato nel 2018 in collaborazione con NASA ed ESA. XRISM è lungo da 5 a 6 metri e ha una forma cilindrica a 8 piani. È dotato di un sistema di imaging a raggi X con un ampio campo visivo e di uno spettrometro a raggi X con le migliori prestazioni spettroscopiche al mondo, raffreddato a temperature estremamente basse.

[6] Il satellite per l'imaging spettroscopico a raggi X XRISM, il cui lancio è previsto per l'anno fiscale 2022, è dotato di un imager a raggi X ad ampio campo e di uno spettrometro a raggi X raffreddato a temperature molto basse. Poiché gli spettrometri a raggi X sono altamente sensibili anche a piccoli input di energia, è necessario ridurre al minimo l'effetto del rumore sugli spettrometri a raggi X causato da segnali diversi da quelli provenienti da corpi celesti, in particolare le onde radio utilizzate per la comunicazione con la Terra, in modo da non compromettere le prestazioni delle osservazioni dei corpi celesti. Normalmente, i rischi relativi alle interferenze elettromagnetiche vengono verificati tramite test sui satelliti prima del lancio, ma poiché gli spettrometri a raggi X raffreddati a temperature molto basse devono essere mantenuti in una camera a vuoto e non possono essere aperti sulla Terra a causa degli impatti atmosferici, le stesse condizioni di osservazione dello spazio esterno non possono essere raggiunte negli esperimenti a terra e una verifica sufficiente non è stata ancora possibile. Per risolvere questo problema, la JAXA ha utilizzato la soluzione di analisi delle onde di Fujitsu per effettuare simulazioni di onde elettromagnetiche su larga scala, in cui il coperchio del serbatoio a vuoto veniva aperto sulla base di una modellazione dei dati della struttura complessa e dettagliata del satellite.

[7] La ​​qualità della comunicazione veicolo-veicolo e veicolo-strada nelle aree urbane è influenzata non solo dalla distanza di comunicazione, ma anche dagli edifici circostanti, dagli oggetti a bordo strada e dagli altri veicoli. Per ottenere comunicazioni 5G stabili e ad alta velocità, è importante valutare la qualità della comunicazione, poiché questi effetti aumentano con velocità di comunicazione più elevate. L'analisi della qualità della comunicazione si è rivelata finora difficile, poiché gli algoritmi di approssimazione non consentono la valutazione degli effetti di edifici complessi, oggetti di grandi dimensioni e altri ostacoli.

[8] Ritardo di diffusione delle informazioni: un indice che influenza il tasso di errore nella comunicazione digitale. Più alto è il valore, maggiore è la probabilità che la velocità di prestazione della comunicazione diminuisca.

[9] Ordine di lunghezza d'onda: una lunghezza vicina alla lunghezza d'onda delle onde elettromagnetiche (ad esempio, a 4,7 GHz, circa 6,4 centimetri). Se la forma dell'oggetto ha una complessità inferiore a questa lunghezza, non è possibile utilizzare una soluzione approssimata nella simulazione delle onde elettromagnetiche; al contrario, deve essere risolta utilizzando una soluzione esatta, come il metodo FDTD offerto dalla soluzione di analisi di Fujitsu.