Simuler à des dimensions nouvelles
L'Institut Ferdinand Braun, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), développe des semi-conducteurs fiables pour le transport spatial, les satellites et de la technologie quantique. Pour ce faire, l'institut couvre l'ensemble de la chaîne de création de valeur : conception des puces, modules, systèmes et traitement. Quand il a fallu se procurer de nouveaux ordinateurs pour réaliser des simulations de laser, la direction de l'institut s'est adressée au spécialiste de la simulation CADFEM.
L'interaction efficace entre le matériel et les logiciels est particulièrement importante pour les applications de simulation très exigeantes réalisées par le FBH. Un exemple d'application est une installation de recherche pour des expériences d'optique quantique avec des atomes ultra-froids, qui doit être utilisée à partir de 2025 à bord de la station spatiale internationale ISS. Il est prévu de mener des recherches sur des questions de physique fondamentale avec des objets quantiques proches du zéro absolu (-273,15 °C). Les pièces maîtresses des modules laser à diodes nécessaires sont des diodes laser développées au FBH, qui sont utilisées conjointement avec des optiques et d'autres éléments passifs. Ces modules laser sont extrêmement robustes et se distinguent malgré tout par des dimensions très réduites de seulement 125 x 75 x 23 millimètres.
Ce logiciel permet des simulations photoniques multiphysiques, c'est-à-dire l'analyse des effets électriques, thermiques, optiques et optiques quantiques dans un flux de travail continu. Il n'a été intégré dans le portefeuille d'Ansys qu'en 2020. Lumerical complète ainsi le large éventail de simulations optiques proposées par CADFEM.
CADFEM reconnu comme partenaire compétent pour la simulation
Le Dr Andreas Wicht, Head of Joint Lab Quantum Photonic Components, explique à ce sujet : "Nous sommes un institut de recherche très orienté vers les applications. Mais lors de la conception de systèmes orientés vers la pratique, il arrive souvent que des informations manquent et nous étudions les phénomènes physiques afin de mieux comprendre et de pouvoir déterminer le comportement des systèmes". Pour cela, un certain nombre de licences de recherche du logiciel de simulation d'Ansys sont également utilisées pour des analyses mécaniques, électromagnétiques, optiques et photoniques, et c'est pourquoi CADFEM était déjà connu au FBH comme un partenaire compétent en matière de simulation. "Mais nous n'étions pas vraiment conscients que nous pouvions également y acquérir le matériel correspondant", rapporte le Dr Andreas Wicht. "Nous avons volontiers demandé l'aide des spécialistes CADFEM, qui nous ont très vite convaincus qu'une solution évolutive serait pour nous la bonne décision. Car celle-ci peut être très facilement étendue en cas de besoin".
Christoph Ruß, son collègue du service informatique, ajoute : "Nous n'investissons donc pas seulement dans le matériel de CADFEM, mais nous achetons également les services correspondants pour l'installation et quelques heures de support informatique en cas de questions survenant pendant l'exploitation". La performance évolutive horizontale est obtenue par la réunion de serveurs individuels HPC (High Performance Computing). Il est ainsi possible, par clustering, de mettre à la disposition d'un seul utilisateur une puissance de calcul très élevée.
Solution en cluster avec onze serveurs de calcul performants
Après les premières discussions communes entre les utilisateurs de simulation du FBH et le responsable informatique Christoph Ruß et les spécialistes du matériel de CADFEM, la solution de cluster devait se composer de onze serveurs de calcul performants avec 48 cœurs de processeur chacun. Dix ont été prévus avec une mémoire vive de 384 Go, ainsi qu'un serveur avec une capacité de stockage nettement plus élevée de 2 TByte. Ce dernier sera principalement utilisé pour les structures particulièrement grandes lors de l'utilisation d'Ansys Lumerical.
Ce logiciel permet des simulations photoniques multiphysiques, c'est-à-dire l'analyse des effets électriques, thermiques, optiques et optiques quantiques dans un flux de travail continu. Il n'a été intégré dans le portefeuille d'Ansys qu'en 2020. Lumerical complète ainsi le large éventail de simulations optiques proposées par CADFEM.
En outre, deux serveurs de virtualisation pour quatre utilisateurs et un serveur de gestion avec une capacité de stockage de plus de 200 TByte ont été prévus pour la solution en cluster. Au total, 512 cœurs sont donc disponibles pour le calcul. Pour le Dr Andreas Wicht, il s'agit d'un bon concept dont tous les participants sont très satisfaits, car il a permis d'assurer une interaction efficace entre le matériel et les logiciels. Christoph Ruß confirme également cette affirmation et souligne les perspectives d'avenir de cette solution évolutive, dans laquelle il est très facile d'intégrer d'autres serveurs. Comme un autre grand projet de développement vient d'être commandé pour le FBH, il s'occupe déjà de la planification de l'extension.
Nous avons besoin de beaucoup de puissance de calcul et de mémoire vive
Pour concevoir des composants laser optimaux pour l'espace et la communication par satellite, on utilise entre autres des types spéciaux de miroirs et de lentilles afin de réduire au maximum les pertes. Un autre défi est la compacité nécessaire des composants et en même temps une grande robustesse, car de nombreux développements réalisés jusqu'à présent ne sont adaptés qu'à une utilisation en laboratoire, c'est-à-dire beaucoup trop grands et trop lourds pour une utilisation dans l'espace.
Igor Nechepurenko, spécialiste de la simulation au FBH : "Pour obtenir des résultats fiables, nous devons simuler de grandes structures et avons donc besoin d'un maximum de puissance de calcul et de mémoire de travail. Nous ne pouvons pas nous contenter de modèles simplifiés ou de modèles partiels, car nous voulons étudier les conditions et les comportements réels. De nombreux spécialistes étaient d'avis qu'il était impossible de calculer complètement d’aussi grandes structures avec des modèles de simulation. Mais nous avons montré que cela fonctionne avec Ansys Lumerical et nous sommes très satisfaits des résultats". Avec le nouveau matériel, les calculs peuvent être effectués en 24 heures environ si tous les cœurs utilisables (512) sont utilisés à pleine capacité. Avec un seul serveur standard, il faudrait dix fois plus de temps.
Comment obtenir la compacité et la robustesse requises ?
Afin de développer des composants toujours plus petits et de rendre l'ensemble plus compact, de nombreuses simulations thermomécaniques classiques sont également réalisées avec Ansys. Dans ce contexte, l'échauffement n'est pas le véritable problème, mais les déformations qui en résultent sont très déterminantes. "Pour les assemblages optiques avec une échelle longitudinale d'un micromètre, qui correspond à la longueur d'onde, une déformation thermomécanique de seulement un micromètre pour les composants de la lentille ou du miroir signifierait déjà la fin de l'unité optique", souligne le Dr Igor Nechepurenko. "Par conséquent, nous devons simuler très précisément afin d'analyser jusqu'à quelle limite thermique nous pouvons aller".
Le Dr Andreas Wicht ajoute à ce propos : "Nous travaillons en parallèle au FBH sur une variante encore plus compacte et transférons actuellement le concept éprouvé des lasers à cavité étendue à structure hybride, ou ECDL, sur une seule puce. Avec ce nouveau concept, entièrement réalisé par la technologie des semi-conducteurs, les futures unités laser seront non seulement plus petites et plus robustes, mais aussi beaucoup moins chères". Cela implique toutefois de réaliser plus de fonctionnalités sur un composant optoélectronique (puce laser).
Les méthodes actuelles ne suffisent plus
Les méthodes de conception actuelles ne suffisent plus. Souvent, celles-ci se basent sur l’expérience étendue des collègues en matière de dimensionnement laser, qu'ils ont accumulé au fil des années et des décennies. Cela permet de garder un œil sur quelques paramètres et d'améliorer les designs correspondants. Mais cela ne fonctionne pas lorsqu'un grand nombre de paramètres déterminent la conception et que des optimisations topologiques doivent être réalisées par exemple. Dans ce cas, il faut des modèles virtuels qui ne se contentent pas de reproduire le principe de fonctionnement, mais qui permettent aux développeurs de prédire avec précision le comportement réel, même de différentes variantes.
"Nous vérifions actuellement la précision de nos calculs", explique le Dr Igor Nechepurenko. "Pour cela, nous effectuons sans cesse de nouveaux calculs avec des paramètres légèrement modifiés dans le logiciel, afin de pouvoir ensuite analyser et comparer précisément les résultats ainsi obtenus. Cette multitude de calculs est très facile à réaliser grâce à notre nouveau matériel performant, installé il y a quelques mois".
Installation et assistance informatique à distance
Le fait que cette installation ait dû se faire dans des conditions difficiles est évoqué par Christoph Ruß, responsable informatique. En effet, Klaus Fischer, l'un des spécialistes en matériel informatique de CADFEM, a été en mesure de coordonner et de réaliser l'installation de l'ensemble du cluster de serveurs en période de pandémie, sans être lui-même sur place. Les composants de communication intégrés dans les serveurs HPE installés permettent d'utiliser les ordinateurs entièrement à distance. Cela facilite d'une part l'assistance à distance, mais aussi l'installation à distance. Christoph Ruß, du service informatique de FBH sur place, s'est bien sûr chargé des "travaux manuels" nécessaires.
"Klaus Fischer a non seulement un très grand savoir-faire et une large expérience, mais il sait aussi très bien expliquer", rapporte Christoph Ruß. "De ce fait, notre collaboration s'est avérée très simple et très agréable. Il pouvait par exemple mettre n'importe quelle image de configuration d'ordinateur souhaitée dans le lecteur virtuel pour l'installer directement sur le serveur concerné et vérifier ensuite le fonctionnement requis".
Il faut parler la même langue
La présence de Klaus Fischer sur place n'était pas indispensable, mais il devait bien sûr avoir une idée de la manière dont l'installation devait se dérouler sur place. En outre, il faut tenir compte du niveau de connaissances des personnes sur place. "Cela n'a pas posé de problème à Klaus Fischer", explique Christoph Ruß. "Il a procédé de manière très ciblée et professionnelle. J'ai trouvé particulièrement agréable la manière calme avec laquelle il nous a expliqué les travaux à effectuer et nous a transmis les connaissances de base correspondantes. Il est vite apparu que nous parlions la même langue. Cela a créé une confiance qui nous donne de l'assurance et constitue une base importante pour une collaboration fructueuse à long terme".
La poursuite de l'extension a déjà été commandée !
La prochaine étape de cette collaboration est en cours de réalisation, à savoir l'extension de la solution de cluster par onze serveurs supplémentaires, ce qui portera le nombre de cœurs à 1040. Si l'on considère qu'il y a 20 mois, les spécialistes de la simulation du FBH ont démarré avec un nombre de cœurs nettement inférieur pour les applications d'Ansys Mechanical et d'électromagnétisme, c'est un énorme bond en avant. Le nombre plus élevé de cœurs ne profite pas seulement à l'utilisation de Lumerical, mais bien sûr aussi aux applications Ansys classiques. Cela entraîne des temps de calcul plus courts et permet d'analyser plus de modèles ou plus grands.
Pour conclure, le Dr Andreas Wicht souligne : "Nous avons le sentiment d'être toujours en de très bonnes mains avec CADFEM. Cela vaut aussi bien pour les logiciels dont nous avons besoin pour nos simulations que pour le matériel que nous avons acquis et installé avec succès ces derniers mois avec le soutien de CADFEM. Du côté des utilisateurs, le Dr Igor Nechepurenko, entre autres, est très satisfait du support de CADFEM, et du côté de l'informatique interne de FBH, Christoph Ruß est également enchanté par la qualité de collaboration, d'égal à égal, avec CADFEM".
Ferdinand-Braun-Institut
Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH)
www.fbh-berlin.de
Dr. rer. nat. Andreas Wicht,
Head of Joint Lab Quantum Photonic Components
Auteur : Gerhard Friederici (CADFEM Germany)
Images : © Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH)
Publié : Mars, 2023
