Simulation과 Calculation의 차이

뉘앙스의 차이

Simulation이나 Calculation이나 둘 다 무언가 입력조건에 따른 결과를 도출해내는 수학계산의 일종이다. 그러나 이 두가지 단어 사이에는 분명한 차이가 존재함에도 불구하고 의미를 혼동하여 사용하는 경우가 종종 발생한다. 특히 RF 초심자라면 이 두가지 단어의 의미의 구별이 불분명하기 마련이며, 이로 인해 S/W를 사용하거나 분석하려할 때 사용상에서 오해의 소지를 만들기도 한다. Simulation을 우리말로 하면 '가상실험'의 의미로, Calcualtion은 '(단순한)계산' 의 의미로 표현된다. 이 두단어에는 어떠한 차이가 있는 것일까?

Simulation과 Calculation은 똑같이 주어진 입력변수에 대한 출력값을 계산하지만, 계산과정에서 근본적인 차이점이 있다. Simulation은 기본적으로 iteration(반복계산 후에 최적의 값을 수렴시켜 찾아내는 것)이나 Random한 변수의 개념을 포함하고 있으며, 이로 인해 똑같은 대상이라 해도 계산할 때마다 아주 미묘하게 값의 차이가 발생한다. 또한 Simulation에는 이러한 계산법에 의해 Error bound가 존재한다. 반면에 Calculation은 기본적으로 주어진 조건에 대해서는 언제나 같은 결과값을 제시한다. 이것은 매우 중요한 차이점이다.

공학을 비롯한 여러 학문분야에서 통용되는 진리중의 하나는 '이 세상에 똑같은 것은 존재하지 않는다' 라는 것이다. 이 말을 RF 공학설계에 끌어와서 예를 든다면, 아무리 똑같은 조건의 상황에서 제조 혹은 측정하더라도 정말로 똑같은 회로나 구조물이 만들어지진 않는다 라는 단순한 진리로 표현된다. 엄청나게 균일화 되고 규격화된 반도체 설계공정이라 해도, 모든 반도체 소자를 만들 때마다 온도나 감광액과 노광시간 등에서 극히 미세하게라도 차이가 나기 때문이다. 만약에 이러한 특성을 최대한 반영한 진정한 설계 S/W라면, 아마도 이러한 변동사항까지 담아내어 결과를 예측할 수 있어야 할 것이다.

바로 여기서 Simulation이 calculation과의 차별되는 면이 나타나기 시작된다. 특정 입력조건에 대한 결과를 계산하는 과정을, 정해진 수식(deterministic)이 아닌 입력변수간의 유기적인 관계 모델을 정의하고 그 결과값을 '예측'해낸 다는 점이다. Calculation에서의 계산 결과는 단지 '계산결과'일 뿐, Simulation에서 처럼 '결과예측' 또는 '가상 실험' 이라는 말로 표현할 수 없다.

 

Example을 통한 이해

예를 들어 사각 패치 안테나를 설계할 때, 관련도서에 보면 사각형의 가로와 세로를 계산하는 공식이 나와 있다. Freeware 자료실에 있는 PCCAD라는 유명한 안테나 설계 S/W에서도 이 수식을 그대로 적용하여 원하는 주파수와 기판에 맞는 사각패치의 크기를 계산해준다. 하지만 이것은 단지 책에 나온 공식을 그대로 적용했을 뿐이다. 또한 여러 공식에 의거하여 이 안테나의 패턴이나 주파수 분포 결과값을 계산하여 보여줄 수도 있을 것이다. 이것은 공식에 의거한 단순계산 Calculation, 그 이상도 이하도 아니다.

이번엔 안테나설계용으로 애용되는 simulation S/W인 Ensemble을 이용하여 패치안테나를 설계하는 경우를 생각해보자. 이러한 Simulation S/W에서의 설계란 말은 곧 '해석'이라는 용어와 직결된다. 사용자는 계산기나 Calculation S/W를 이용하여 안테나의 크기와 급전구조의 size를 우선 결정한 후에, 그 값에 맞게 drawing을 한 후 실행버튼을 누르게 될 것이다. 그로부터 짧게는 수십초, 길게는 하루 이상을 계산하여 그 결과값을 제시하게 된다. 이러한 Simulation S/W는 복잡한 형태의 일정 공식에 의거하여 결과값을 예측하는 것이 아니라, 아주 원리적이면서 근본적인 공식 하나를 기준으로 그것의 반복계산을 통해 결과값을 도출한다. RF에서의 Field Simulation의 근간을 이루는 공식은 물론 Maxwell 방정식이며, 그 방정식은 모든 계산 분할점(mesh)에서 적용된다. 이것은 보다 근본적인 차원에서의 Calculation, 즉 Simulation이다.

 

차이점 정리

설계물의 결과를 미리 예측하고, 또 그에 가장 근접한 구조물을 만들어내기 위해서는 설계 과정에 사용된 Calculation과 Simulation은 아래와 같이 특징이 구분된다. 이러한 분류는 규격화된 분류법은 아니며, 일반적으로 연구계에서 구분하는 기준이다. 아래의 표에서 알 수 있듯이, 적용범위의 광범위함, 실제와의 일치율 등의 측면에서 실제적인 응용과 탐구를 위해서는 Calculation이 아니라 Simulation level의 계산이 필요하다.

기준

RF Simualtion

Calculration

계산 결과값

같은 계산도 미묘하게 차이가 있음

같은 입력에는 항상 일정함

계산 시간

상황에 따라 매우 길기도 함

매우 빠름

적용 범위

매우 광범위하고 제한이 적음

극히 제한적임.

사용하는 주요수식

Maxwell 방정식

용도에 따라 전부 다름.

계산식의 특징

Iterational or Random Variable

Fixed and Deterministic Variable

계산 오차

많건 적건 일정량이 항상 존재

수식 자체 내에서는 없음.

실제와의 일치율

상대적으로 우수함

상대적으로 떨어짐

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