Fujitsu ha anunciado que ha llevado a cabo con éxito simulaciones de ondas electromagnéticas, a gran escala, para una serie de casos de uso en diferentes industrias utilizando una aplicación basada en la nube para el superordenador Fugaku⁽¹⁾.

Fujitsu prevé que esta nueva solución de análisis ayudará a abordar los problemas relacionados con las interferencias electromagnéticas entre los componentes electrónicos y los equipos de comunicaciones para los clientes en campos espaciales, así como, el transporte urbano. Para demostrar sus capacidades, Fujitsu realizó simulaciones para casos de uso, entre enero y marzo de 2022, en estos dos campos y confirmó la eficacia de la solución de análisis como servicio en la nube entre abril y julio de 2022.

A través de las simulaciones, Fujitsu demostró cómo aprovechar la potencia que ofrece el uso de recursos HPC a través de un entorno en la nube para ejecutar simulaciones precisas de problemas de ondas electromagnéticas complejas, y a gran escala, que no podrían resolverse con algoritmos de aproximación convencionales ⁽²⁾.

Fujitsu pretende ofrecer soluciones y servicios de consultoría relacionados con las pruebas de compatibilidad electromagnética, aprovechando las capacidades de análisis de ondas electromagnéticas de alta precisión como parte de la cartera de Computing as a Service (CaaS) de Fujitsu para finales del año fiscal 2023 en Japón. La multinacional japonesa está promoviendo aún más la "fabricación sostenible" para lograr el crecimiento, a través de la coexistencia de las personas y la tierra, como una de sus áreas de enfoque clave bajo su marca de negocio global, Fujitsu Uvance.

Antecedentes

Las interferencias electromagnéticas entre los componentes electrónicos y los equipos de comunicaciones representan un reto constante para los fabricantes de una amplia gama de áreas, como los equipos electrónicos, los automóviles y los equipos espaciales, y la demanda de soluciones de análisis electromagnético para determinar que la compatibilidad electromagnética va en aumento.

Las simulaciones precisas de problemas de interferencia en ondas electromagnéticas complejas, y a gran escala, requieren potencia de cálculo, y los usuarios que no tienen acceso a un entorno HPC tienen que realizar simulaciones utilizando algoritmos de aproximación convencionales que sólo ofrecen una precisión de análisis limitada.

Fujitsu tiene previsto ofrecer su solución de análisis de ondas electromagnéticas para hacer frente a este reto. La solución, disponible como aplicación basada en la nube, se basa en el método FDTD ⁽³⁾ para obtener resultados precisos y que permitirá a los usuarios una amplia gama de sectores para acceder fácilmente a las avanzadas tecnologías informáticas de la multinacional.

Para verificar la eficacia de su solución como nuevo servicio en la nube, Fujitsu realizó simulaciones de ondas electromagnéticas a gran escala en las dos áreas siguientes.

Resumen de las pruebas de verificación

1. Evaluación cuantitativa de los problemas de interferencia electromagnética en los últimos telescopios espaciales de rayos X (Estudio de caso del Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas de la JAXA)

La Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) utilizó la solución de análisis de ondas de Fujitsu para llevar a cabo simulaciones de ondas electromagnéticas a gran escala que evaluaban la intensidad de las ondas de radio en el espectrómetro de rayos X (4) del satélite de imágenes de rayos X XRISM de JAXA⁽⁵⁾. Al utilizar la solución de Fujitsu, JAXA pudo generar un entorno de experimentación que simula las condiciones de observación como en el espacio exterior y realizó evaluaciones que no podían realizarse con los métodos informáticos tradicionales ^(6).

Como resultado, JAXA confirmó con éxito que la intensidad de las ondas de radio en el espectrómetro de rayos X de XRISM está a un nivel que no afecta al rendimiento de observación del satélite, incluso en órbita.

Detalles de las simulaciones:

- Objetivo de análisis: Satélite de imágenes espectroscópicas de rayos X XRISM.

- Escala de análisis: hasta 193.500 millones de cuadrículas-

- Tiempo de análisis 3 horas.

Comentario de Masahiro Tsujimoto, profesor asociado del Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas de JAXA:

"Las simulaciones de alta frecuencia utilizan modelos CAD de todos los satélites, que fueron difíciles de realizar con los métodos informáticos tradicionales, y que ahora pueden llevarse a cabo con una única solución gracias a Fujitsu. Esto representa un importante avance técnico en el diseño de satélites. En el proyecto del satélite XRISM, los resultados de esta simulación desempeñaron un importante papel en la evaluación cuantitativa de los riesgos no verificados y en la confirmación de la validez del diseño."

2. Evaluación de la calidad de la comunicación entre vehículos y carreteras mediante 5G para contribuir a un tráfico más seguro y a la prevención de accidentes en zonas urbanas.

Fujitsu llevó a cabo simulaciones de ondas electromagnéticas a gran escala utilizando su solución de análisis de ondas para evaluar la calidad de la comunicación en carretera (5G de alta velocidad) entre los transmisores instalados en las intersecciones y los receptores instalados en los vehículos. En las simulaciones, Fujitsu también observó el efecto de los obstáculos, incluidos los edificios circundantes, los objetos al borde de la carretera y otros vehículos en zonas urbanas, sobre la calidad de las comunicaciones ⁽⁷⁾.

Además, Fujitsu calculó directamente la intensidad y la dispersión del retardo ⁽⁸⁾ de las ondas de radio recibidas por la antena receptora de cada vehículo, desde los transmisores instalados en las intersecciones y mediante simulaciones con el método FDTD para lograr una evaluación exacta de la calidad de las comunicaciones.

Como resultado, la multinacional nipona realizó con éxito simulaciones de ondas electromagnéticas analizando un modelo de gran área urbana teniendo en cuenta órdenes de longitud de onda complejos⁽⁹⁾ y demostró que las simulaciones realizadas con su solución de análisis de ondas pueden ofrecer resultados precisos que incorporan el efecto de las interferencias causadas por obstáculos complejos en áreas urbanas.

Detalles de las simulaciones:

- Objetivo del análisis: Modelo de ciudad del área de intersección que incluye un modelo detallado de las carreteras y los objetos circundantes (modelo del cruce frente a la estación Musashinakahara de la línea JR Nambu en Nakahara-ku, ciudad de Kawasaki, prefectura de Kanagawa, Japón).

- Tamaño del análisis: 1 billón de cuadrículas.

- Tiempo de análisis: Aproximadamente 3 horas.

Agradecimientos

Los análisis mencionados en este comunicado se llevaron a cabo en el marco de la "Investigación de un entorno para ejecutar software de simulación científica en Fugaku", un proyecto de investigación en colaboración para un servicio de prueba de uso similar a la nube que utiliza los recursos informáticos del superordenador Fugaku, con recursos informáticos proporcionados por el Centro de Ciencia Computacional de RIKEN. (Proyecto #: ra010012).

Notas
[1] Superordenador Fugaku: Un ordenador instalado en RIKEN como sucesor del "ordenador K". De junio de 2020 a noviembre de 2021, Fugaku ocupó el primer puesto, durante cuatro años consecutivos, en cuatro de las principales clasificaciones de ordenadores de alto rendimiento. Fugaku se puso a disposición para su uso compartido a partir del 9 de marzo de 2021.

[2] Algoritmos de aproximación: Método utilizado para obtener eficazmente la mejor solución posible, en un tiempo realista, de un problema para el que es difícil obtener una solución exacta. Sin embargo, la aproximación se realiza bajo una determinada restricción de condiciones, y sólo se puede obtener un resultado de cálculo cercano a una solución exacta cuando se satisface la restricción de condiciones. En caso contrario, no se puede obtener un resultado de cálculo exacto.

[3] Método FDTD: "Método de diferencias finitas en el dominio del tiempo". Un método para calcular el comportamiento de las ondas electromagnéticas mediante un ordenador. Se trata de una solución exacta de las ecuaciones de Maxwell, en el tiempo y el espacio, por el método de las diferencias finitas.

[4] Espectrómetro de rayos X: Dispositivo que detecta las ondas electromagnéticas en la región de los rayos X descomponiéndolas para cada longitud de onda.

[5] Satélite de imágenes de rayos X XRISM: Misión de Espectroscopia e Imágenes de Rayos X. Séptimo proyecto de satélite astronómico de rayos X de JAXA, lanzado en 2018, con la colaboración de la NASA y la ESA. El XRISM, que mide entre 5 y 6 metros de largo y tiene una forma cilíndrica de 8 planos. Está equipado con un generador de imágenes de rayos X con un amplio campo de visión y un espectrómetro de rayos X con el mejor rendimiento espectroscópico del mundo refrigerado a temperaturas extremadamente bajas.

[6] El satélite de imágenes espectroscópicas de rayos X XRISM, cuyo lanzamiento está previsto para el año fiscal 2022, está equipado con un generador de imágenes de rayos X con un amplio campo de visión y un espectrómetro de rayos X refrigerado a una temperatura muy baja. Dado que los espectrómetros de rayos X son muy sensibles incluso a pequeñas entradas de energía, es necesario minimizar el efecto del ruido en los espectrómetros de rayos X causado por señales distintas a las de los cuerpos celestes, especialmente las ondas de radio de comunicación con la tierra, para no afectar al rendimiento de la observación de los cuerpos celestes. Normalmente, los riesgos relacionados con las interferencias electromagnéticas se verifican mediante pruebas en los satélites antes de su lanzamiento, pero como los espectrómetros de rayos X enfriados a temperaturas muy bajas deben mantenerse en una cámara de vacío y no pueden abrirse en tierra debido a los impactos de la atmósfera, las mismas condiciones de observación que en el espacio exterior no pueden realizarse en los experimentos en tierra, y hasta ahora no ha sido posible una verificación suficiente. Para solucionar este problema, JAXA utilizó la solución de análisis de ondas de Fujitsu para llevar a cabo simulaciones de ondas electromagnéticas a gran escala en las que se abrió la tapa del depósito de vacío basándose en el modelado de datos de la compleja y detallada estructura del satélite.

[7] La calidad de la comunicación de vehículo a vehículo, y de borde de carretera a vehículo en el espacio urbano, se ve afectada no sólo por la distancia de comunicación, sino también por los edificios circundantes, los objetos del borde de la carretera y otros vehículos. Para lograr unas comunicaciones 5G estables y de alta velocidad, es importante evaluar la calidad de la comunicación, ya que estos efectos aumentan junto con una mayor velocidad de comunicación. El análisis de la calidad de las comunicaciones ha resultado difícil hasta ahora, ya que los algoritmos de aproximación no permiten evaluar los efectos de los edificios complejos, los objetos grandes y otros obstáculos.

[8] Retraso en la difusión de la información: Índice que afecta a la tasa de error en la comunicación digital. Cuanto mayor sea el valor, más probable es que disminuya la velocidad de rendimiento de la comunicación.

[9] Orden de longitud de onda: Una longitud cercana a la longitud de onda de las ondas electromagnéticas (por ejemplo, a 4,7 GHz, unos 6,4 centímetros). Si la forma del objeto tiene una complejidad inferior a esta longitud, no puede utilizarse una solución aproximada en la simulación de ondas electromagnéticas, sino que debe resolverse mediante una solución exacta, como el método FDTD que ofrece la solución de análisis de Fujitsu.