新一代 AI 高效能運算：Ansys 高效優化系統結合高速運算，提供光子晶片元件模擬的全方位解決方案
簡介
Ansys 提供完整的解決方案，用於矽光子晶片的設計與優化，將其光子模擬工具 Lumerical 與 OptiSLang 的自動化設計探索功能整合在一起。此設計流程透過自動調整設計參數來提升效能效率，使高性能元件的開發更加高效。
在一個案例研究中，我們模擬了一個矽光子環形共振腔系統，並針對其輸出功率進行最佳化。搭配 Supermicro AI 伺服器與 NVIDIA H200 高效能運算平台，進一步提升了運算效率，加速了設計優化流程。透過這項整合，工程師能以更快速度與更高精度，推動矽光子與光電系統的技術極限。
Research
此模型由矽光子波導構成的環形共振腔組成。我們的目標是透過調整幾何結構來最佳化其傳輸特性。該設計的參數行為模擬已整合進 OptiSLang 中，並建立了一個代理模型（metamodel），用以針對多個輸入參數進行設計優化。
Data optimization
Ansys Lumerical 與 OptiSLang 的整合實現了以資料驅動和模型為基礎的自動化元件設計優化。
OptiSLang 支援多種最佳化演算法，例如粒子群最佳化（Particle Swarm Optimization），並可自動執行工作流程、資料分析以及光學模擬的後處理作業。
Pareto optimal solutions help identify the best trade-offs among conflicting design goals. By analyzing parameter interactions, designers gain insights into performance impacts and can make more informed decisions across multiple design scenarios.
Accelerated computation
在 Ansys 中使用 SMCI（Supermicro）大幅提升了光學運算的效能。
全新的 AI 伺服器 —— GPU SuperServer SYS-821GE-TNHR，支援第 5 / 第 4 代 Intel® Xeon® 可擴充處理器，以及 NVIDIA HGX™ H200 八顆 GPU 平台，提供強大的高效能運算能力，加速複雜光學模擬與設計流程。
此系統結合 Ansys 解決方案後，進一步強化了高效能運算能力與應用效率，讓複雜模擬與設計流程更加快速且精準。
OptiSLang - Optimization Optimal Design
針對矽光子晶片，我們使用 OptiSLang 對被動元件進行了參數分析。
特別地，對環形共振腔的間隙（gap）與寬度（width）進行了深入探討與模擬。
OptiSLang 能夠揭示這兩個參數之間的相互關係，使設計者能在設計中有效利用參數群組進行優化與調整。
透過 OptiSLang 的最佳化演算法，對 pn 接面中的濃度、電壓與損耗等參數進行優化，以尋找最佳設計組合。這使元件參數設定與多條件最佳化能夠自動化執行，大幅提升設計效率與準確性。
最佳化設計通常位於圖表邊緣，也就是所謂的帕雷托前緣（Pareto front）。
OptiSLang 利用區域性預測係數（CoP, Coefficient of Prognosis）與最佳化準則，在多尺度間評估各參數的重要性，並選取至少七組樣本進行迭代，以建立代理模型（metamodel）。
每一組設計結果都會用來構建這個模型，協助進行快速且準確的設計預測與優化。
透過將 SMCI AI 伺服器與 NVIDIA H200 加速器結合，我們在自動化優化掃描工作流程中，相較於單核心 CPU，實現了 5200 倍的速度提升。這使我們能在僅 3 至 4 分鐘 內完成 263,464 次迭代，而這在傳統 CPU 上將耗費大量時間。
Result
透過將 SMCI AI 伺服器與 NVIDIA H200 加速器結合，我們在自動化優化掃描工作流程中，相較於單核心 CPU，實現了 5200 倍的速度提升。這使我們能在僅 3 至 4 分鐘 內完成 263,464 次迭代，而這在傳統 CPU 上將耗費大量時間。
OptiSLang 透過參數掃描與優化流程，產生大量設計數據及其對應的性能指標。這些數據可用作機器學習或深度學習模型的訓練資料，協助人工智慧理解設計參數與性能之間的關係。此方法能加速設計預測流程，實現快速模擬替代（代理建模），並進一步支援自動化的設計決策與優化作業。
參考資料
- Lumerical and HFSS capabilities in modeling a travelling waveguide modulator are combined with optiSLang to provide powerful optimization capabilities for finding designs with the best performance.
- Supermicro's NVIDIA HGX B200 system natively supports NVIDIA AI Enterprise software to accelerate AI production timelines. NVIDIA NIM microservices enable organizations to access the latest AI models for fast, secure, and reliable deployment on any NVIDIA-accelerated infrastructure, whether in data centers, the cloud, or workstations.
- Orchestrate and automate your simulation toolchains and connect to state-of-the art optimization algorithms to perform parametric design studies and better understand your designs.
- The applications of Ansys products and the ways they solve problems are limitless. Regardless of the industry or use case, Ansys is dedicated to optimizing your design process, reducing costs, and accelerating time to market.
- OptiSLang is integrated into Ansys Workbench and Ansys Electronics Desktop. Ansys optiSLang is a process integration and design optimization (PIDO) solution that provides advanced robust design optimization (RDO) algorithms, taking into account uncertainties and tolerance variations to automatically and efficiently identify the optimal configuration for a specific design.
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