Computational Electromagnetics (CEM) / Código M3
SIMULADOR ELECTROMAGNÉTICO DE ALTAS PRESTACIONES
El grupo SC7-B lleva desde el año 1996 trabajando en el desarrollo de un simulador electromagnético de altas prestaciones basado en soluciones full-wave, por tanto rigurosas/exactas. Se trata del simulador inicialmente conocido como HEMCUVE, hoy en día, denominado M3. Este simulador reúne tres características que lo hacen competitivo: exactitud, rapidez y escalabilidad.
El código nace en la Universidad de Vigo, pero con la colaboración de dos investigadores a la Universidad de Extremadura (Luis Landesa y José Manuel Taboada, actualmente ambos, catedráticos de dicha institución universitaria), por lo tanto, un código con raíces tanto en la Universidad viguesa como en la extremeña.
El software de simulación M3 está basado en la resolución exacta de las ecuaciones de Maxwell en su forma integral, que es la alternativa más exacta y versátil para la resolución de problemas de simulación electromagnética. M3 es, hoy en día, uno de los códigos de análisis electromagnético full-wave más potentes, rápidos y precisos del mundo, habiendo alcanzado una posición de prestigio y liderazgo a nivel mundial.
HEMCUVE/M3 ha sido galardonado con premios científicos* de relevancia en el ámbito internacional, durante muchos años ostentó el récord mundial en electromagnetismo computacional, alcanzado en agosto de 2010 al resolver un problema electromagnético real con más de mil millones de incógnitas**. La precisión/validez de las simulaciones realizadas con el código M3 ha sido certificada por el CEMEDEM (Centro de Medidas Electromagnéticas de la Armada) mediante la realización de diversas campañas de medidas a bordo de diversos buques.
* Premio internacional PRACE Award 2009, otorgado por la Partnership for Advanced Computing in Europe, organismo de la Unión Europea que regula y financia el desarrollo de los supercomputadores más potentes de Europa. http://www.prace-project.eu/news/prace-award-2009-winner-announced.
Intel Itanium Solutions Alliance Innovation Award 2009, in the category of Computationally Intensive Applications, otorgado por la Itanium Solutions Alliance formado por las empresas más importantes del sector de la computación como Intel, HP, Microsoft, Novell o Red Hat.
** J. M. Taboada, M. Araújo, J. M. Bértolo, L. Landesa, F. Obelleiro, and J. L. Rodríguez,”MLFMA-FFT parallel algorithm for the solution of large-scale problems in electromagnetic (invited paper)”, Progr. Electromagn. Res., vol. 105, pp. 15–30, 2010.
J. M. Taboada, M. G. Araújo, F. Obelleiro, J. L. Rodríguez, L. Landesa, “MLFMA-FFT parallel algorithm for the solution of extremely large problems in electromagnetics (invited paper),” Proceedings of the IEEE, Special issue on Large Scale Electromagnetic Computation for Modeling and Applications, vol. 101, no. 2, pp. 350-363, February 2013.
A continuación, se numeran algunas características que convierten al software M3 en un producto tan avanzado:
Permite combinar todas las variantes de las ecuaciones integrales para los campos eléctrico y magnético: T-EFIE, T-MFIE, N-EFIE, N-MFIE, JMCFIE, PMCHWT, CTF, CNF; lo cual es imprescindible para modelar de manera precisa problemas realmente complejos, incluyendo multitud de materiales diferentes y elevados niveles de detalle y operando en un margen muy elevado de frecuencias.
Incluye funciones base Multi-region (MR) para garantizar el cumplimiento de las condiciones de contorno en las regiones de contacto eléctrico entre múltiples materiales. Estas funciones evitan la aparición de soluciones espurias que restarían fiabilidad a las predicciones alcanzadas.
Incluye extracción y evaluación analítica de las integrales singulares e hipersingulares de la función de Green tridimensional y sus derivadas espaciales, lo cual es un requisito fundamental para garantizar la precisión/exactitud de la simulación.
Incorpora un algoritmo muy avanzado de descomposición de dominios basado en ecuación integral (Integral Equation Domain Decomposition Method, IE-DDM), que permite aislar y resolver de manera efectiva problemas de gran complejidad con un fuerte componente multiescala, como los necesarios en problemas reales. En un problema real se combinan diferentes niveles de complejidad, nivel de detalle y materiales.
La inclusión del algoritmo altamente escalable MLFMA-FFT y su paralelización mediante el estándar OpenMP y directivas MPI de alto nivel permiten la utilización efectiva de grandes recursos de computación (clusters formados por gran cantidad de servidores de cálculo de alta capacidad). Este método de paralelización, que está considerado como uno de los tres avances más importantes en la aplicación de la computación de altas prestaciones (HPC) al electromagnetismo computacional*, permite al software M3 la resolución eficaz y precisa de problemas extremadamente grandes, lo cual es imprescindible para la caracterización exacta de problemas reales de grandes dimensiones eléctricas (dimensiones relativas a la longitud de onda). Precisamente las propiedades de alta escalabilidad del código M3 proporcionadas por el algoritmo MLFMA-FFT, son las que permiten a este código optimizar el rendimiento de los recursos de computación disponibles.
* Weng Cho Chew, Li Jun Jiang, “Overview of Large-Scale Computing: The Past, the Present, and the Future”, Proceedings of the IEEE, Vol. 101, No. 2, pp. 227-241, February 2013.
El software M3 no es un producto comercial, se trata de un producto que está en constante desarrollo, de ahí su alta capacidad y competitividad. Su utilización se ofrece a los sectores industriales y productivos en modalidad de SaaS.
Se ha utilizado con éxito en numerosos proyectos, destacando, entre otros, el diseño del tejido electromagnético del topside de los buques de nueva generación de la Armada Española durante los últimos 20 años (E3).
