gesponsert40 Jahre Comsol Wie Multiphysik zum Entwicklungswerkzeug wurde

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Comsol Multiphysics GmbH

Comsol wurde 1986 aus der Überzeugung gegründet, dass Ingenieure und Wissenschaftler leistungsfähige Werkzeuge für mathematische Modellierung brauchen. Vier Jahrzehnte später reicht die Entwicklung von frei gekoppelten Multiphysik-Modellen über Simulations-Apps bis zu Ersatzmodellen, GPU-Beschleunigung und KI‑Unterstützung. Ein Rückblick auf die Schritte, die Comsol Multiphysics zu einer weltweit eingesetzten Simulationsplattform gemacht haben.

Vierzig Jahre sind in der Softwareentwicklung eine lange Zeit. Als Comsol im Jahre 1986 gegründet wurde, war numerische Simulation vor allem ein Werkzeug für Spezialisten. Rechenleistung war knapp, Bedienoberflächen spielten eine untergeordnete Rolle und viele technisch interessante Fragestellungen lagen außerhalb dessen, was sich mit vertretbarem Aufwand berechnen ließ. Heute begleiten Simulationsmodelle die Entwicklung von der ersten Idee bis zum Betrieb. Sie untersuchen nicht mehr nur einzelne Effekte, sondern das Zusammenspiel von elektromagnetischen Feldern, Wärme, Mechanik, Akustik, Strömung und chemischen Vorgängen. Die Geschichte von Comsol zeigt, wie aus mathematischer Modellierung schrittweise ein breit einsetzbares Entwicklungswerkzeug wurde.

Multiphysik wird machbar

Gegründet wurde Comsol in Stockholm von Svante Littmarck und Farhad Saeidi. Beide waren Doktoranden und überzeugt, dass Ingenieure und Wissenschaftler künftig Software für mathematische Modellierung benötigen würden. Zunächst vertrieb das Unternehmen Matlab in den nordischen Ländern. 1998 folgte der Schritt zum unabhängigen Softwareanbieter mit der ersten eigenen Multiphysik-Software.

Für die Entwicklung solch einer ambitionierten Software mussten mehrere Voraussetzungen zusammenkommen. Neben der Bewahrheitung des Moorschen Gesetzes, nach dem sich die Anzahl der Transistoren auf einem Microchip, und damit die Rechenleistung, etwa alle zwei Jahre verdoppeln, waren es insbesondere die parallel dazu verbesserten numerischen Verfahren, Löser und Methoden zur Diskretisierung komplexer Geometrien. Dadurch ließen sich Wechselwirkungen von Spannungen, Temperaturen, Strömungen, elektromagnetischen Feldern oder Konzentrationsverteilungen berechnen und anschaulich auswerten. Simulation wurde, wie Comsol-Gründer Svante Littmarck rückblickend feststellt, vom Rechenwerkzeug zum Entwicklungswerkzeug.

Eine Plattform mit einheitlichem Arbeitsablauf

Das zentrale Konzept war von Beginn an die Multiphysik. Reale Produkte halten sich nicht an die Grenzen klassischer Ingenieurdisziplinen. Ein elektronisches Bauteil erzeugt Wärme, die Materialeigenschaften verändert und mechanische Spannungen hervorruft. Ein MEMS-Aktor verbindet elektrische Felder mit Bewegung; bei einem Lautsprecher kommen zusätzlich Akustik und die Wechselwirkung mit dem umgebenden Raum hinzu. Werden solche Effekte getrennt behandelt, gehen Rückwirkungen verloren.

Wie wichtig die Kopplung verschiedener Disziplinen gerade für die Elektronik ist, zeigt ein Beispiel von ABB Semiconductors. Das Unternehmen untersuchte mit Comsol Multiphysics die Lebensdauer von IGBT-Leistungsmodulen, wie sie etwa in elektrischen Antrieben eingesetzt werden. Im Betrieb sind die Module wiederholt hohen elektrischen, thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt. Temperaturänderungen führen dabei zu thermomechanischen Spannungen an den Verbindungsstellen und können langfristig Ausfälle verursachen. Mithilfe gekoppelter Simulationen analysierten die Entwickler verschiedene Bonding-Konzepte und konnten nachvollziehen, welche physikalischen Effekte die Alterung bestimmen. So ließen sich konstruktive Maßnahmen zur deutlichen Erhöhung der Lebensdauer bewerten.

Comsol Multiphysics löst die zugrunde liegenden Gleichungen seit der ersten Version in einer gemeinsamen Modellierungsumgebung und in einem Gleichungssystem. Physikinterfaces stellen die jeweiligen Gleichungen, Randbedingungen und Materialmodelle bereit. Sie können über vordefinierte Kopplungen verbunden oder durch eigene Gleichungen und benutzerdefinierte Beziehungen ergänzt werden. Die Kopplung ist damit nicht auf einen starren Katalog vorgegebener Kombinationen beschränkt. Und der Modellierungs-Workflow bleibt immer gleich: Geometrie, Materialien, Physik, Netz, Studie und Ergebnisse werden unabhängig vom Anwendungsgebiet in derselben Umgebung aufgebaut.

In den 2000er-Jahren kamen zahlreiche spezialisierte Erweiterungen hinzu, darunter das AC/DC Module, das Acoustics Module und das Heat Transfer Module sowie eine Materialbibliothek. Parallel wuchs das Unternehmen international. Nach Niederlassungen in den USA und Großbritannien folgten weitere Standorte in Europa. Die deutsche Niederlassung wurde 2000 in Göttingen gegründet. Heute arbeiten dort rund 50 Beschäftigte in Vertrieb, technischem Support und der Softwareentwicklung.

Mit Version 4.0 führte Comsol 2010 den Model Builder ein. Der Modellbaum machte den vollständigen Aufbau eines Modells sichtbar und schuf einen einheitlichen Arbeitsablauf über alle physikalischen Anwendungsgebiete hinweg. In Version 4.2 folgte der Physics Builder, mit dem sich eigene Physikinterfaces über eine grafische Umgebung entwickeln lassen. Beide Schritte stärkten ein Prinzip, das bis heute prägend ist: Vorgefertigte Funktionen sollen den Einstieg und die alltägliche Arbeit erleichtern, ohne den Zugriff auf Gleichungen und Modellannahmen zu verdecken.

Der nächste Meilenstein folgte mit Version 5.0 und dem Application Builder. Modellierer können damit aus einem berechnungsfähigen Modell eine Simulations-App mit eigener Benutzeroberfläche erstellen. Sie entscheiden, welche Eingaben verändert werden dürfen, welche Ergebnisse angezeigt und welche Abläufe im Hintergrund ausgeführt werden. Das Modellwissen bleibt erhalten, während Kollegen aus Konstruktion, Entwicklung, Fertigung oder Vertrieb Varianten selbst untersuchen können. Comsol Server 2014 eingeführt, stellt solche Apps zentral über einen Webbrowser bereit. Seit 2018 lassen sie sich mit Comsol Compiler auch als vollständig eigenständige ausführbare Programme verteilen, für deren Nutzung keine kostenpflichtige Lizenz benötigt wird.

Ein aktuelles Beispiel liefert das Centre for Electronic Corrosion der Technischen Universität Dänemark. Feuchtigkeit auf Leiterplatten kann Korrosion, Leckströme und elektrochemische Migration auslösen. Das Team modelliert unter anderem Geometrie und Abstand von Elektroden, Dicke und Leitfähigkeit eines Wasserfilms sowie die daraus entstehenden Stromdichten.

Aus den Modellen entstanden Simulations-Apps für Industriepartner. Elektronikentwickler können darin Entwurfsparameter variieren und die Feuchterobustheit beurteilen, ohne selbst das vollständige elektrochemische Modell aufbauen zu müssen. Die App ersetzt dabei weder das Expertenmodell noch die Validierung. Sie macht ein geprüftes Modell für klar umrissene Entscheidungen zugänglich.

Modelle organisieren, Berechnungen beschleunigen

Seit 2020 liegt ein weiterer Schwerpunkt auf der Zusammenarbeit und auf kürzeren Rechenzeiten. Der mit Version 6.0 eingeführte Model Manager dient dazu, Modelle, Apps, Berichte und weitere Projektinhalte zentral zu verwalten. Version 6.2 ergänzte ein Framework für Ersatzmodelle. Diese kompakten, mit Simulationsergebnissen trainierten KI-Modelle approximieren das Verhalten eines rechenintensiven Finite-Elemente-Modells und liefern Ergebnisse oft in einem Bruchteil einer Sekunde. Damit werden interaktive Apps, umfangreiche Optimierungen, Unsicherheitsanalysen und digitale Zwillinge praktikabler.

Mit Version 6.3 kamen GPU-Beschleunigung für Akustiksimulationen sowie eine Java-Shell für die interaktive Arbeit mit der Comsol-API hinzu. Ein optionales, KI-gestütztes Chatbot-Fenster kann bei Java-Programmierung und Modelloperationen unterstützen. In Version 6.4 wurde die GPU-Nutzung mit dem direkten Sparse-Löser Nvidia Cuda cuDSS erweitert. Je nach Modell ergeben sich Beschleunigungen um ein Mehrfaches; bei einer wellenbasierten Raumakustiksimulation wurde eine 40-fache Beschleunigung erreicht.

Diese Entwicklungen stehen nicht für eine Ablösung physikbasierter Simulation durch KI. Ersatzmodelle benötigen verlässliche Trainingsdaten, und auch ein KI-Assistent kann keine ungeprüften Randbedingungen oder ungeeigneten Materialdaten korrigieren. Aussagekräftige Ergebnisse hängen weiterhin von der Modellbildung, der Qualität der Eingangsdaten und der Validierung an Messungen ab. Moderne Rechenhardware und datenbasierte Methoden verschieben jedoch die Grenze dessen, was in Entwicklungszeit und mit vorhandenen Ressourcen machbar ist.

Mehr Komplexität, kürzere Entwicklungszyklen

Für die Elektronikentwicklung steigt der Bedarf an solchen Werkzeugen. Miniaturisierung und höhere Leistungsdichten verschärfen thermische und mechanische Belastungen, während die Anforderungen an Energieeffizienz, Signalintegrität, Zuverlässigkeit und Lebensdauer wachsen. In Leistungselektronik, Halbleitertechnik, Photonik, Sensorik oder Batteriesystemen beeinflussen sich die relevanten Effekte gegenseitig. Hinzu kommen kürzere Entwicklungszyklen und der Wunsch, Varianten möglichst früh virtuell zu prüfen.

Comsol bringt für diese Aufgaben vier Jahrzehnte Erfahrung und eine Plattform mit, deren physikalische Disziplinen frei gekoppelt werden können. Simulations-Apps erweitern diesen Ansatz über den Kreis der Modellierungsspezialisten hinaus. Mit inzwischen mehr als 650 Beschäftigten an 16 Standorten ist aus dem Stockholmer Unternehmen ein internationaler Softwareanbieter geworden. Der technologische Kurs hat sich nie geändert: Modelle sollen genauer, Berechnungen schneller und validiertes Simulationswissen leichter nutzbar werden. Dafür werden klassische numerische Verfahren, GPU-Computing, Ersatzmodelle, KI-Unterstützung und Apps parallel weiterentwickelt.

Die Werkzeuge werden immer besser, doch die ursprüngliche Idee bleibt bestehen: Ingenieure und Wissenschaftler sollen komplexe technische Zusammenhänge berechnen können, bevor daraus kostspielige Fehlentscheidungen in Hardware werden.

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