Simuleringar på sekunder

En simulering visar hur en konstruktion kommer att bete sig innan något har tillverkats, till exempel var den böjs, hur varm den blir och hur luften rör sig. Det är ett av de bästa verktygen för att upptäcka problem tidigt. Nackdelen är tidsåtgången. En enda detaljerad simulering kan ta allt från några minuter till flera timmar, vilket innebär att de flesta projekt har möjlighet att testa några tiotal konstruktioner, inte flera tusen.

Maskininlärning förändrar förutsättningarna. Vi kan följa ett exempel, siffra för siffra. Det handlar om en kylfläns till en motorstyrenhet i en sluten kapsling, en aluminiumbas med en rad kylflänsar som ska hålla elektroniken sval utan att bli för tung eller för dyr att tillverka.

Antalet kylflänsar, deras höjd och tjocklek, avståndet mellan dem och basplattans tjocklek. Ändra något av dessa mått så förändras elektronikens temperatur, ofta på sätt som motverkar varandra. Fler kylflänsar ger en större yta som värmen kan avges från, men om de sitter för tätt begränsas luftflödet mellan dem. En tjockare basplatta fördelar värmen bättre men ökar vikten.

Fem mått, vart och ett med ett rimligt intervall, ger redan långt fler kombinationer än någon har möjlighet att simulera en och en.

En detaljerad termisk simulering av en konstruktion, där även luftflödet mellan kylflänsarna beräknas, tar ungefär 40 minuter. Det är tillräckligt snabbt för att kontrollera en enskild konstruktion ordentligt, men alldeles för långsamt för att undersöka tusentals alternativ. I den takten hinner man med ungefär 60 konstruktioner under en arbetsvecka, utvalda med hjälp av erfarenhet och en hel del kvalificerade gissningar.

I stället börjar man med att köra några hundra simuleringar, jämnt fördelade över de olika kombinationerna i stället för att koncentrera sig kring en favoritlösning. Simuleringarna körs parallellt och utan övervakning under en eller två nätter. Varje simulering ger fem ingångsvärden och den temperatur som konstruktionen resulterar i.

Utifrån dessa exempel lär sig en modell sambandet mellan de fem måtten och temperaturen. Den löser inte de fysikaliska ekvationerna. I stället lär den sig mönstret som fysiken ger upphov till, tillräckligt väl för att kunna förutsäga resultatet för konstruktioner som aldrig har simulerats.

Nu tar varje ny konstruktion en bråkdel av en sekund att utvärdera i stället för 40 minuter. Tiotusen alternativ kan undersökas på några minuter, och frågan kan förändras från ”är den här konstruktionen tillräckligt bra?” till ”vilken är den bästa konstruktionen inom våra begränsningar?”

Begränsningarna är minst lika viktiga som temperaturen. Kylflänsarna måste få plats i kapslingen, vikten får inte överstiga en viss gräns och vissa former är billigare att tillverka än andra. Allt detta kan vägas in samtidigt, och resultatet blir inte ett enda svar utan en överblick över avvägningarna. Det går att se hur mycket svalare elektroniken kan bli för varje extra 100 gram och vid vilken punkt ytterligare material slutar göra någon större nytta.

En modell som har tränats på simuleringar är en utmärkt vägvisare, men den ska inte ensam avgöra resultatet. Den är som mest tillförlitlig inom de områden där den har fått många träningsexempel och mindre tillförlitlig vid gränserna. Samtidigt ligger de bästa konstruktionerna ofta just vid en sådan gräns. Därför får de fyra mest lovande alternativen genomgå en fullständig, detaljerad simulering igen, den långsamma varianten, för att kontrollera att modellens förutsägelser stämmer.

Oftast gör de det, eller ligger åtminstone nära. När de inte stämmer blir simuleringen ytterligare ett träningsexempel. Modellen tränas om och sökningen görs på nytt. Efter några omgångar blir modellen som mest träffsäker just där det spelar störst roll.

Till slut väljs en konstruktion som tillverkas och testas i verkligheten, monterad i kapslingen med motorn på full belastning. Det är samma sista steg som alltid. Skillnaden är hur många alternativ som har hunnit undersökas innan dess. Tiotusen konstruktioner har utvärderats i stället för sextio, och valet grundas på en betydligt bredare jämförelse än de få alternativ någon annars hade haft tid att testa.

Modellen fortsätter dessutom att skapa värde efteråt. När en större version av motorstyrenheten behöver en egen kylfläns är en stor del av arbetet redan gjort.

En sådan här modell är värd att utveckla när en konstruktion har många parametrar att optimera, när samma typ av komponent finns i flera storlekar eller när samma frågeställning återkommer gång på gång. För en enskild komponent med bara två eller tre alternativ är några vanliga simuleringar fortfarande den snabbare lösningen.

Oavsett metod bygger resultatet på tillförlitliga simuleringar och ett avslutande test i verkligheten. Modellen avgör bara hur många konstruktioner som kan utvärderas innan det testet genomförs.