サイエンティフィック・システム研究会 HPCミーティング2001

2001/11/02

サイエンティフィック・システム研究会
HPCミーティング ２００１

コンピュータ開発におけるCAE技術の現状
2001年 1 1月 2日

富 士 通 （株 ）生産システム本部
山本 治彦

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サイエンティフィック・システム研究会には主に大学および研究所の方が参加されていると伺っています。本日は、みなさまのアカデミーでのＨＰＣ利用に対し、インダストリーではどのようなＨＰＣ利用を行っているか、すなわちコンピュータ開発におけるＣＡＥ技術の現状をお話ししたいと思います。
まず初めに、電子産業における製品開発の現状と富士通における開発業務プロセスへのＣＡＥ技術の組込についてお話しします。
つぎにグローバルサーバ、サーバ、パソコン、磁気ディスク、プリンタ、携帯電話などの開発に使われているＣＡＥ技術の事例をご紹介します。また、高度な利用法として、マルチフィジックスの解析システムと実験計画法による最適化システムをご紹介します。
最後に、製品開発に使われる解析が大規模化してきたこと、高速計算機、並列処理の必要性についてお話しします。

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開 発 リードタイムの短期化
１０年前の１／３年前の開発リＩドタイム

10

１０年前の１／２

６年

金属製品
化成品

自動車

４年

半導体・デバイス
情報・通信機器
精密製品

２年

ゴム製品

産業機械

１０年前と同じ

石油製品

家電製品

４年
２年
現 在 の 開 発 リ ー ド タ イ ム （年 ） 出 展 ；科 学 技 術 白 書 （９９年度）[製 品 出 荷 サ イ ク ル ]ＧＳ： ４ 〜 ５年
１年
サーバ ：
２年
０．５〜 １ 年
ＰＣ： 〜 １年
０．３ 年
HDD : 1 〜 ２ 年
０．５〜 １ 年
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近年、国際化の進展により企業間の製品開発競争は激化し、開発リードタイムの短期化が進展してます。このグラフは科学技術白書が出展です
が、すべての産業で、現在の開発リードタイムは、10年前の開発リードタイムより短くなっています。特に、自動車産業、半導体・デバイス産業では４年の開発リードタイムを半分の２年に短縮してます。
富士通が属する情報・通信機器産業でも、自動車産業、半導体・デバイス産業と同様に競争が激しく、ほぼ同じ推移をしてます。細かく製品別にその出荷サイクルを見ますと、グローバルサーバ（ＧＳ）では４〜５年から１年へ、サーバでは２年から０．５〜１年へ、パソコン（ＰＣ）では１年から０．３年へ、磁気ディスク（ＨＤＤ）では１〜２年から０．５年〜１年へと短くなってます。

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開 発 期 間 短 縮 ：Market in スピード
収益

製品ライフ

出荷計画時期時間

投資

少ない投資→最大の収益

・開発スピードＵＰ・開 発 技 術 力 （トラブル未然防止，即解決）
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企業間の製品販売競争は激しく、製品を他社に先駆けて市場投入しなくては収益は挙げられません。また、先行者利益の出る期間を長くし、利益を大きくするためには、開発期間を短縮する必要があります。
開発期間の短縮のため、試作回数の削減、トラブルの未然防止・迅速な解決が求められ、CAE技術は製品開発に必要不可欠です。

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設計シミュレーションへの移行

ア( ナ リ シ ス )評価シミュレーション

基本設計

試 作 (n次 )

詳細設計

設計検証

量産検証

量産

障害分析

試作照合

設計評価シミュレーション

事前準備

基本設計

詳細設計

試 作 ・量 産 検 証

量産シ( ン セ シ ス)

設計シミュレーション

物性計測
精度検証

方式検討

仕様設計

検証

最適ﾂｰﾙ
選択

設計最適化シミュレーション

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開発期間の短縮化に対応するため、ＣＡＥ技術は進化発展し、従来の評価シミュレーションから設計シミュレーションへ移行した。つまり分析（アナリシス）から統合（シンセシス）へのツールに変化した。
従来の評価シミュレーションの時代、開発は基本設計、詳細設計、試作、量産検証のプロセスで行われ、ＣＡＥ技術は設計検証、試作照合、障害の分析に利用された。今の時代、設計シミュレーションは必須であり、ＣＡＥ技術は方式検討、仕様設計に利用され、開発のプロセスは基本設計、詳細設計、試作・量産検証に変わった。試作回数の削減により期間短縮を実現している。
設計シミュレーションの実現のために、物性の計測・解析の精度検証・最適なシミュレーションツールの選択を事前に行っている。

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開 発 期 間 短 縮 ：業務プロセスに CAEをBuilt in
ＥＣＡＤ/
ＥＣＡＥ

３Ｄ-ＣＡＤ
ＰＣＡＤ

ＮＯＩＳＥ

コンセプト
設計

ＥＭＣ
（ＡＣＣＵＦＩＥＬＤ）
ＤＲ（ＦＪＶＰＳ）

衝撃ＰＣＡＥ
熱流体部品
伝送特性- トラブルの事前回避- 試作レスでの期間短縮- 試行錯誤の撲滅

製 造 ・試 験

期間短縮
１／ ２樹脂流動振動
ＣＡＭ

開 発

出荷製 造 ・試 験
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富士通ではＣＡＥ技術による開発期間の半減に取り組んでいます。実現のため、ＣＡＥ技術を開発の業務プロセスに組み込み、トラブルの事前回避、試作レス、試行錯誤の撲滅を図っています。組み込みに当たって、電子機器開発に必要なＣＡＤ、ＣＡＥ、ＣＡＭの連携を強化した。特に、三次元ＣＡＤ（３Ｄ−ＣＡＤ、ＰＣＡＤ）を中心に、電気系のＥＣＡＤ／ＥＣＡＥ、機械系のＰＣＡＥ、ＣＡＭへの連携です。
三次元ＣＡＤを用いてコンセプト設計を行い、それを元に回路のノイズ、電磁波の放射（ＡＣＣＦＩＥＬＤ：当社開発アプリ）のシミュレーションを行います。また、熱流体（冷却設計）、衝撃・振動（構造設計）、伝送特性（部品設計）、樹脂流動（製造検証）のシミュレーションを行います。
ＦＪ
ＶＰＳ（当社開発アプリ）は、三次元ＣＡＤと連携し、開発の節目で行われるデザインレビュー（ＤＲ）で効果を発揮してます。

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ＣＡＤ/物理シミュレーションの統合
主要なソルバ−ダイレクト変換
IGES/STEPSTL I/F等

３Ｄ ＣＡＤ
ICAD/MXUNIGRAPHICS
各 種 CAD

FEM V
LS-DYNA
VOXELCON
Pro/M
PROCISION
α -FLOW
FLOTHERMFLUENTSTREAMABAQUS
PAM-CRASH
Vibro Acoustic
SYSNOISEMOLDFLOW
MPA
Surface Evolver
その他自社ツール
ACCUFIELD
Maxwell
JMAG
Greenfield

分野
機械系
構造応力
熱流体
衝撃
振動/騒音
プロセス系
金属/樹脂流動疲労/凝固
各種プロセス
電気系
電磁場
電磁/伝送特性その他自社ツール
FJVPS
DMU
Eco Design
DFM
HIL

バーチャル系
操作/組立 /動的干渉
LCA/分解性機構/ﾌｧｰﾑ制御

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富士通では３次元CAD（ＩＣＡＤ／ＭＸ、ＵＮＩＧＲＡＰＨＩ
ＣＳ）と物理シミュレーション（ＣＡＥ技術）、バーチャルシミュレーションを統合して活用しています。物理シミュレーションには構造応力、熱流体、衝撃、振動／騒音の機械系と金属／樹脂流動、疲労／凝固のプロセス系と電磁場、電磁／伝送特性の電気系があります。また、操作／組立／動作干渉、ＬＣＡ／分解性、機構ファーム制御のバーチャル系があります。
機械系、プロセス系、電気系シミュレーションには市販のソルバーを主に利用しており、一部は自社で開発しています。バーチャル系にはＦＪ
ＶＰＳを用いています。ＦＪ
ＶＰＳの機能には、操作性検証のためのディジタルモックアップ（ＤＭＵ）、環境ためのエコデザイン（ＥｃｏＤｅｓｉｇｎ）、製造性設計のためのＤＦＭ（Ｄｅｓｉｇｎｅ ｆｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）、機構ファーム制御のためのＨＩ
Ｌがあります。
統合は、直接変換インターフェイス、ＩＧＥＳ／ＳＴＥＰ、ＳＴＬインターフェイスを用いて、実現しています。

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コンピュータ製品開発の解析事例
1 電磁解析

プリント板・ノートPC

2 熱流体解析ノートPC・冷却ファン・サーバ

3 衝撃解析

携帯電話

4 粉体解析

プリンタ

5 振動解析

ディスク

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電子機器の開発で利用している解析は電磁気解析、熱流体解析、衝撃解析、粉体解析、振動解析などです。富士通で開発している電子機器にはグローバルサー
バ、サーバ、パソコン、磁気ディスク、プリンタ、携帯電話など数多くあります。
それぞれの解析は各種装置の開発に使われておりますが、その中で、最も多く使われている電子機器への適用事例を紹介します。
−電磁気解析では、プリント板やノートＰＣに適用した事例−熱流体解析では、ノートＰＣや冷却ファンやサーバに適用した事例−衝撃解析では、携帯電話に適用した事例−粉体解析では、プリンタに適用した事例−振動解析では、磁気ディスクに適用した事例です。

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ノートPC電 磁 解 析
ACCUFIELD

金属部をモデル化

モーメント法

機器全体の電磁波解析を実現

クロックパターンからの電波放射が問題
基 板 -筐 体 接 続 強 化 、 筐 体 シ ー ル ド 強 化
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これはノートPCから放射される電波のシミュレーションです。当社開発のモーメント法を用いたソルバＡＣＣＵＦＩＥＬＤを用い、機器全体をシミュレーションしました。
シミュレーションのため、電流の流れる金属部（筐体、プリント基板、液晶ディスプレイ）をモデル化します。右の電波放射の強度分布を見ますと、ディジタル回路を同期化するための、クロックを伝送するプリント基板の配線パターンが放射源だと分かります。放射電波を減らすため、筐体とプリント基板との電気接続の強化、筐体シールドの強化を行いました。

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ファンユニットの 熱 流 体 解 析ファン旋回流を考慮した解析により、下記の設計課題を分析し設計提案します。
･ＣＰＵ許容温度を満足するファンユニットの開発
・羽根形状最適化による高性能（大風量）化
・フィン形状最適化による高冷却性能化

羽根形状を詳細にモデリング

フィン形状の最適化

羽根形状の最適化

風速ベクトル図

ファン旋回考慮

冷却性能予測発熱源

解析ﾓﾃﾞﾙ

温度分布図

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これはノートＰＣのＣＰＵ冷却に使われるファン付きヒートシンクの熱流体シミュレーションです。多数のピンからなるヒートシンクは発熱源のＣＰＵに取り付けられます。格子状に並んだピン（ピンフィン）の間を、空気がファンにより引っ張られ、冷却が行われます。
羽根の形状による空気の流れ、つまり旋回流をシミュレーションすることで、限られたファン寸法におけるファン性能の最大化を実現しています。またフィン形状、フィン個数、フィン配置を変化させ、空気抵抗、冷却性能のシミュレーションを行い、ヒートシンク形状の最適化も行っています。
ノートＰＣに使われるＣＰＵの発熱量はますます増大してますが、シミュレーションを用い、冷却用ファン付きヒートシンクを開発して対応しています。

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携帯電話機解析モデル (衝 撃 解 析 他 )All Rights Reserved, Copyright © FUJITSU LIMITED 2001

これは携帯電話全体のシミュレーションモデルです。携帯して使われるため、落下させる機会も多く、耐衝撃性を非常に要求される機器です。
新たに２つ折りの携帯電話が普及しており、ジョイントの強度設計が重要になっています。2つ折りを振り開きする利用者もおり、強固なジョイントの設計が必須です。また携帯電話はポケットに入れて持ち運びされることも多く、ケースが捩じられたり、曲げられたりします。そのようにケースに力が加わり、ケースが変形した時でも、電極のクリアランスを取る必要があります。これら設計のため、構造シミュレーションを使っています。
携帯電話は歩きながら使われることも多く、ノートＰＣと比べ高いところから落下することが多い。そのため地面に衝突した時、非常に大きな衝撃がケースに加わります。この衝撃を緩衝し、液晶表示が壊れないような構造を設計するため、衝撃シミュレーションを行います。また衝撃は内部に伝わり、実装されているプリント基板を大きく変形し、ＬＳＩパッケージとプリント基板の半田接合に大きな歪みを発生させます。この衝撃によるプリント基板の変形で、半田接合が破壊しないように、衝撃シミュレーションを用い、実装設計を行います。

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プリンタトナープロセス：粒 子 挙 動
スケール大小の混合紛体と電磁気力の連成
０°mm

感光ドラム

M gロ ー ラ‑＋ＮＮ

感光ドラム
回転方向

回転方向

mm

電位ポテンシャル1.10潜像

潜像

正 規 化 付潜像

Ｍｇローラ
Ｍｇローラ中の磁石のずれ計
実1.00

算
測

0.90
0.80
0.70
-4-20
磁24
極 角 （6All Rights Reserved, Copyright © FUJITSU LIMITED 2001

これはプリンタの現像シミュレーションです。プリンタの機能は感光ドラムの上への印刷像の形成、磁気ローラ（Ｍｇローラ）による現像、用紙上への転写からなっております。まず、右回りに回転している感光ドラムに、レザー照射で電位ポテンシャルの印刷像（潜像）を形成する。その像の上を右回りに回転する磁気ローラで運ばれてきた磁気ブラシで現像する、この磁気ブラシには電荷を持ったトナーが付着しており、それが電位ポテンシャルに引き寄せられ現像されます。
磁気ブラシは磁気を帯びた鉄のキャリアー（大きい粒子）からできており、磁石で砂鉄を付けたときの現象と同じで、図のように尖った形が磁気ローラ上にできます。磁気ブラシに付着していた有機材料でできたトナー（小さい粒子）が潜像に向かって飛んでいるのが分かります。
トナーの現像効率は磁気ローラ内にある永久磁石と感光ドラムの角度により変化し、最適な条件を見つけるには現場で数多くの実験を必要とします。短期間で最適な条件を出すため、プログラムを開発しシミュレーションを行いました。角度をパラメータにトナーの付着量を計算し、実験での付着量との比較をグラフにしました。計算と実験で最適な角度が完全に一致しており、最適な設計ができていることが確認されました。

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ディスク開発のための解析
HDD本体

MRヘッド
(浮上解析 )
ラッチ
（機構解析）

上部ヨーク

コイル
下部ヨーク

アクチュエーター（振動・衝撃解析）

ＭＲヘッド（熱・応力解析）All Rights Reserved, Copyright © FUJITSU LIMITED 2001

ここに磁気ディスク開発で利用されているシミュレーションの例を示します。磁気ディスク（ＨＤＤ）装置はデータを記録するディスクとデータの読み書き用アクチュエータからなっています。
アクチュエータの先端にはディスク上へデータを読み書きするためのＭＲ（磁気抵抗)ヘッドが付いています。アクチュエータはボイスコイルモータにより制御され、ヘッドはディスク上のデータ読み書き位置へ移動されます。
アクチュエータを振動なく高速に移動するため、アクチュエータの固有値計算が行われます。また、持ち運び可能なノートＰＣに使われる磁気ディスクでは、耐衝撃強度が要求されるため、衝撃シミュレーションが行われます。
アクチュエータの根元には、非動作時にアクチュエータを固定するためのラッチがあり、機構シミュレーションが使われます。また先端のヘッドはディスク上を極低空で滑空しており、姿勢を保つための浮上シミュレーションが行われます。
またＭＲヘッドは電流をコイルに流し、発生した磁界を使いデータを読み取ります。電流により熱が発生しヘッドの温度が上昇し、ヘッドには熱応力が発生します。熱応力によりヘッドが寿命低下しないようシミュレーションを使っています。

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ＣＯＳＳ-マルチフィジクス（複 合 物 理 事 象 ）解 析 (Component Object Simulation System)

連成解析ｼｽﾃﾑ
COSS

市販解析ソフトで は 不 可 能 な 連 成 解 析 を 実 現

ソリッドモデラー（開発中）

メッシュ生成＜開発済み機能と適用事例＞（開発中）

・電 磁 場 /熱 伝 導 連 成 ：MRヘ ッ ド 磁 気 特 性 解 析
M Rヘ ッ ド 磁 性 薄 膜 形 成 解 析・電 場 / 流 体 連 成：L S I配線メッキ
プリント基板ＶＩ
Ａエッチング

電場
磁場
熱伝導流体
etc

解析条件設定連成解析制御結果可視化＜効果＞
ＧＭＲヘッド電磁特性評価
試作評価⇒ ＣＯＳＳで解析評価
２ヶ月
４Ｈ

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シミュレーションを更に役立てるため、富士通ではマルチフィジックス（ＣＯＳＳ）と最適設計（ＣＡＯＳ）のシステム開発に取り組んでいます。市販のソフトでは不可能なマルチフィジックス（複合物理現象）のシミュレーションをＣＯＳＳで実行します。
このＣＯＳＳは現在開発中のソリッドモデラー、メッシュ生成と条件設定、連成解析制御、結果可視化のプログラムからなるシステムです。電場、磁場、熱伝導、流体を連成解析できます。
電磁場／熱伝導連成はＭＲヘッド磁気特性解析、ＭＲヘッド磁性薄膜形成解析に、電場／流体連成はＬＳＩ
配線メッキ解析、プリント基板ＶＩＡエッチングに利用しました。
ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ ＭＲ）ヘッドの電磁特性評価において、実際にＧＭＲを試作し評価すると２ヶ月要するところ、ＣＯＳＳを用い４時間で評価することができました。

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ＣＡＯＳ最適設計支援ツール

最適化ｼｽﾃﾑ
CAOS(CompｕｔｅｒＡｉｄｅｄ OｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎSystem)
実験計画法バ ー チ ャ ル 実 験 室 （実 験 計 画 法 ）最 適 化 と開発期間短縮

解析ソルバ
インタフェース＜適用事例＞

解析実行制御・FAN形 状 最 適 設 計 ：フ ァ ン 流 量 の 最 大 化＜効果＞
・FAN形 状 最 適 化 事 例 27 ケ ー ス -> 9 ケ ー ス
全 ケ ー ス を 一 括 並 列 計 算 し 、最 適 解 を 表 示
開発期間
1/10

数理計画法
(高次曲線による最適化計算)

1200
1000
800
600
400
200
0-200

-0.07888-400-0.20778-0.263188-0.235484-0.3463-0.318596-0.401708-0.290892

X1-0.13456-0.374004-0.457116-0.48482

流速分布-0.10672-0.429412-600X2-0.1624

流量とファン寸法の関係
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ＣＡＯＳ最適設計支援ツールは実験計画法を用いて、開発期間の短縮を図るソフトです。解析パラメータを設定のための実験計画法プログラム、解析ソルバーインタフェース、解析実行制御、高次曲線により最適値を求めるための数理計画法のプログラムからなるシステムです。
ファン流量の最大化を行なうため、ファン形状の最適化にＣＡＯＳを用いた例を示します。ファンの回転数は固定し、ファンの内径、ファン−ケース偏心量、ファン−ケース間隙をパラメータにしました。各パラメータを３水準取ると合計２７ケースを解析する必要がありますが、実験計画法を用いることにより９ケースを解析すれば十分です。この９ケースを並列に計算し、最適なファンを１／１０の期間で開発できました。
真ん中の流速分布に示されるように、最適形状では淀みと逆流のない、綺麗な流れになっています。また流量とファン寸法の関係に示されるように、流量がピークのパラメータ値が存在し、最適な形状を求めることができました。

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解析の大規模化装置へ部品からヒートシンク設計
熱流体解析 ・

構造解析

ノートPC冷却・定着ローラ加熱

プリンタシステム・
機構部品強度

装置強度(100〜10,000部品)
微細化・
LSI/MCM強度

パターン/接合端子の増加(10,000端子)

シミュレーションの長時間化
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製品開発における解析の状況を見ると、解析が大規模化してきたことが挙げられます。従来は部品規模の解析が大半を占めていましたが、装置規模の解析が大半を占めるように変化しています。
熱流体解析では、ヒートシンクの性能設計からノートＰＣ装置の冷却設計へ移ってきています。プリンタでは定着ローラの加熱制御設計からプリンタシステム全体の冷却設計へ移ってきています。
構造解析では、コネクタ、基板の強度解析から装置の強度解析へ移ってきています。またＬＳＩやＭＣＭ（ＭｕｌｔｉＣｈｉｐＭｏｄｕｌｅ）では、微細化の進展が続いており、接合端子／パターン密度の増加により解析規模が増大しています。
これらの原因で解析規模が増大し、シミュレーションの実行が長時間化しています。

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現状分野

アプリ規模時間マシン

電磁波解析

ACCUFIELD

5100元

1時間

GP7000/8並列

熱流体解析

FLOTHERM

70万要素 8時間Celsius600

衝撃解析

LS/DYNA

1万要素 2時間GP400

ABAQUS-EX 1万要素 16時間 VPP300
疲労寿命解析 ABAQUS-ST 2万要素 72時間 Celsius400
粉体解析

自主開発

1.5万粒子 25時間 VPP300

モデル簡略化により短時間で実施
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解析の分野別に、現在のモデル規模と計算時間をまとめた表を示します。ノートＰＣの電磁波解析では５１００元で１時間、ノートＰＣの熱流体解析
では７０万要素で８時間、携帯電話の衝撃解析では１万要素で８時間、磁気ディスクの衝撃解析では１万要素で１６時間、ＢＧＡの熱疲労解析では２万要素で７２時間です。またプリンタの粉体解析では１万５千粒子で２５時間かかります。異なる計算機による計算時間ですので、その時間の比較は意味ありませんが、実際に使われている長時間計算の例だと見て下さい。
シミュレーションを開発期間短縮に使うには、計算時間を短くし、結果を迅速に得る必要があります。高速な計算機の利用を行っていますが、特に時間のかかるシミュレーションにおいては、モデルを簡略化し、計算時間が短くなるように運用しています。

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将来 長時間ジョブ分野

アプリ

衝撃解析

LS/DYNA

規模時間

10万要素 336時間

マシン
GP400

ABAQUS-EX 5万要素 168時間 VPP300
疲労寿命解析 ABAQUS-ST 5万要素 288時間 Celsius400

設計シミュレーションにはTAT 12時間以内が必須

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現在、携帯電話・磁気ディスクの衝撃解析では高精度化が求められており、将来、メッシュサイズを更に細かくする必要があります。また現在、ＢＧＡの微細化も続いており、将来、端子数が更に増加すると考えられます。
現在の計算機の使用をこのまま続けると、すぐ、携帯電話の衝撃解析
では１０万要素で３３６時間、磁気ディスクの衝撃解析では５万要素で１６８時間になることが予想されます。またＢＧＡの熱疲労寿命解析では、端子増加により５万要素で２８８時間になることが予想されます。
しかしながら、シミュレーションを設計に活用するには、ＴＡＴ（Ｔｕｒｎ Ａ
ｒｏｕｎｄ Ｔｉｍｅ）は半日の１２時間が限度であり、クロックの速い、並列処理可能な計算機の導入が必須です。

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まとめ
CAE技術
各種製品の開発にHPCを駆使・開発期間短縮
・最適設計
HPC設計に活用
次期マシン
クロックアップ、並列化による性能向上

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高性能計算技術（ＨＰＣ）を使い、パソコン、磁気ディスク、プリンタ、携帯電話などの解析を実施し、製品の開発期間短縮と最適設計を実現しました。
当然ながら、ＨＰＣマシーンの開発でも、解析を実施し、効果をあげています。
次期ＨＰＣマシーンはクロックアップによる高速化、並列処理機能の充実により、性能向上されます。我々はこのマシーンを使い、ＣＡＥ技術を更に発展させ、新たな製品の開発に役立てて行きたいと考えています。

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