GPU计算引领电磁仿真革命

    “采用NVIDIA?（英伟达?）GPU以及安捷伦开发的EMPro软件解决方案，你可以用原先十分之一的时间进行手机天线电磁仿真工作，让手机的研发速度进一步提升，提高整个手机设计行业的技术含量。”

——富士康天线集成处射频经理---熊邺先生

    在上个世纪80年代，大哥大电话——手机的前身——在人们印象中被列为奢侈品行列。当时，能够拥有一部大哥大不仅仅是财富的象征，更多的代表权力与地位。而进入2000年以来，手机已经逐渐走下神坛，从企业白领、学生、公务员到普通百姓，人人都拥有一部甚至几部手机。同时，手机的外观设计，也从以往的大哥大一统天下向时尚、商务、多功能等领域演化。

    尽管手机的设计多种多样，但是终究无法摆脱几个要素：键盘、屏幕以及天线。其中天线设计的好与坏直接影响着手机的通话质量以及手机对使用者脑部的辐射情况。早期的手机天线设计工作较为简单，因为早期手机天线多为外置型，手机设计完成后，只要将手机天线外接出来就可以进行工作，而现在的手机天线多为内置型，同时手机天线还需要包括GSM、蓝牙、GPS等多种天线的多种作用，整体设计难度较之前有不小的提升。

    过去由于手机设计过程中对软件仿真使用较少，主要依赖实物模拟，造成手机设计和推出的周期较长。而现在，采用支持CUDA加速的NVIDIA?（英伟达?）GPU以及安捷伦开发的ADS软件解决方案，手机天线仿真速度提升了十倍，让消费者可以以最短的时间看到最新的手机产品。

    挑战

    按照国外某著名厂商的解决方案，手机设计的方式主要分为8个T即8个步骤，其中首先是进行手机的外观设计，之后外观设计完成之后进行最重要的电路和天线的设计，设计方案确实之后进行生产以及检验等。而手机天线设计方式主要分为两个步骤：第一是采用软件进行电磁仿真模拟，确认设计方案的可行性，调整后进行第二个步骤，即实物仿真模拟。前者的优势是相对操作时间短，并且在成本上有较大优势。

    软件仿真，相当于我们仿照手机的模型周围进行分区。这些区域被分成非常非常细的小方块，同时设计师还需要将手机的材质、电路板的影响、手机喇叭的影响甚至是使用者手的影响考虑进去。把一部手机分成小的方块，分的越细，仿真结果就会越接近实际的使用情况。

    在以往手机天线的设计中，设计人员通常使用基于CPU的台式机工作站进行软件仿真。由于CPU主要是以序列计算为主，并不适合电磁辐射的仿真模拟中M-Pro中傅里叶变换的计算，因此使用CPU从事仿真工作导致仿真时间较长——通常需要一周左右的时间完成软件仿真。并且如果仿真结果出现问题，再次仿真需要花费一样长的时间。在手机产品不断推陈出新的今天，这样的效率根本无法达到手机厂商的要求。而如果不进行软件仿真，省去时间直接进行实物测试，如果发生问题，在时间和成本上的投入将会非常巨大。

    解决

    2008年下半年，NVIDIA?（英伟达?）与安捷伦公司宣布合作开发针对于安捷伦EMprot天线设计软件的加速技术，将GPU并行处理的理念导入EMPro电磁模拟中。NVIDIA?（英伟达?）的基于CUDA的计算加速硬件显著地加快了安捷伦的EMpro软件FDTD仿真器的速度。

    举例来说，过去仿真一个比较复杂的手机模型，大约需要一周的时间，而现在采用NVIDIA?（英伟达?）GPU并行计算解决方案之后，仅需要约两天的时间就可以完成。

    “我们所要做的工作是根据客户的需要制定解决方案，”安捷伦公司边业超先生表示“仿真一部手机天线需要数天甚至更长的时间，而我们平日的工作时间仅有8个小时。这就相当于我们的工程师工作了一天也不可能完成一次仿真，第二天还要继续前一天的成果，并且要保证运算的数据没有发生任何错误，这样一来整个一道仿真工序花费的时间非常长。现在凭借NVIDIA?（英伟达?）GPU和安捷伦的一套软硬件解决方案之后，采用“并行的硬件”与“并行的软件”相结合，工程师可以在很短时间内完成仿真工序。”

    影响

    相对于以往费时的软件仿真方式，现在采用GPU并行计算软硬件解决方案已经使手机天线软件电磁场仿真这一领域有了突飞猛进的发展。作为电磁场仿真的全球顶尖企业，安捷伦公司无疑在此领域中走在了行业的急先锋位置。

    2009年初，全球最大的手机代工厂富士康公司建立了天线集成处，开始从事天线的研发生产，部门建立之初就和安捷伦英伟达紧密合作，评估并引进该套软硬件解决方案，并且在对其原服务器进行简单升级后，成功投入实际应用。在实际应用中，由之前的仅有1-2项目进行软件仿真，发展到大部分项目均进行软件仿真，并且由于仿真效果非常接近实物模拟，为客户节省了大量的研发时间和经费。

    富士康天线集成处电磁仿真主管-郝伟东先生表示：“我们很难用数字衡量NVIDIA?（英伟达?） GPU并行计算和安捷伦EMPro软件为富士康天线集成处增加的有形资产，但是我们最看重的还是这套解决方案为我们增加的无形价值。富士康是原先一家以生产为主的制造型企业，企业早期的设计附加值比较低。而现在引入天线设计项目很多，使用安捷伦EMPro天线设计软件和GPU加速技术帮助我们在更短的时间内完成用户交给我们的任务。而这正符合我们‘科技的富士康’的公司精髓。”

    关于NVIDIA?（英伟达TM）公司

    1999年，NVIDIA?（英伟达）公司（纳斯达克代码：NVDA）发明了图形处理器（GPU），让全世界重新认识了计算机图形的威力。自那时起，NVIDIA?（英伟达?）不断为视觉计算树立全新标准，其令人叹为观止的交互式图形产品可广泛用于便携式媒体播放器、笔记本、工作站等各种设备之上。NVIDIA?（英伟达）在可编程GPU（图形处理器）方面拥有先进的专业技术，在并行处理方面实现了诸多突破，从而普及了低价超级计算机的使用。在《财富》杂志半导体行业创新排行榜上，NVIDIA?（英伟达?）连续两年位居榜首。