半导体器件电离辐照损伤效应模拟的数值算法及应用

本文研究了半导体器件伽马辐照电离损伤效应定量物理模型系列算法,其中包括有限元空间离散、隐式时间积分以及非线性系统解耦迭代算法.算法有效地处理了电离损伤模型多组分、电-输运-反应多物理耦合以及强刚性等难点.基于三维并行有限元平台(PHG),我们完成了半导体器件电离辐照效应三维并行求解器TIDSim的研制.针对典型场效应晶体管NMOS、双极晶体管GLPNP进行了电离辐照损伤模拟,数值模拟结果与器件辐照实验数据吻合.     

3Ddevice:半导体器件及其辐照损伤效应仿真软件系统

本文介绍我们开发的一款适用于半导体器件及其辐照损伤效应定量模拟的三维并行仿真应用软件平台3Ddevice.该软件由中国科学院数学与系统科学研究院和中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心联合开发,能直接解算半导体器件的电学响应性质及其氧化物层在电离辐照下带电缺陷与界面态缺陷累积动力学过程,计算器件损伤后的电学响应偏移.我们已经实现器件电离辐照总剂量效应以及低剂量率增强效应定量模拟,模拟结果与实验数据吻合良好.软件采用C/S架构,分为本地客户端与远程计算端两大子系统.客户端由总控模块、前处理模块、通信模块以及后处理模块组成.总控模块主要的功能是求解器挂载、数值模拟流程搭建与管理.前处理模块主要功能是器件几何建模以及网格生成与优化.通信模块主要功能是求解器参数初始化与硬件系统状态监控.后处理模块主要功能是数值模拟结果可视化与数据分析.计算端基于三维并行自适应有限元平台~([1])(PHG)开发,目前包括半导体器件模拟器(DevSim),电离辐照损伤模拟器(TIDSim).上述求解器采用MPI通讯技术,支持大规模分布式并行,已实现十亿量级网格单元数的器件电离损伤及电学响应模拟.本文介绍的仿真软件系统是一个初级版本,将会得到持续开发更新,它的详细使用方法请参照并以软件使用说明书为准.     

并行自适应有限元计算中的负载平衡研究

偏微分方程的并行求解,关键问题之一是网格划分,它不仅要求每个进程拥有相等的计算负载,同时要求有良好的划分质量,以减少进程间通信.在自适应有限元计算过程中,网格/基函数不断调整,会导致负载不平衡,必须动态地调整网格分布,从而实现动态负载平衡.本文研究了不同的负载平衡方法,并在并行自适应有限元平台PHG中实现.数值实验表明我们的动态负载平衡算法具有很高的划分质量,运行速度快,可有效划分网格并减少运行时间.     

多重网格格子Boltzmann方法的并行算法

针对复杂流动数值模拟中的格子Boltzmann方法存在计算网格量大、收敛速度慢的缺点,提出了基于三维几何边界的多重笛卡儿网格并行生成算法,并基于该网格生成方法提出了多重网格并行格子Boltzmann方法（LBM）。该方法结合不同尺度网格间的耦合计算,有效减少了计算网格量,提高了收敛速度;而且测试结果也表明该并行算法具有良好的可扩展性。     

动态碰撞网格的DSMC及其并行化

DSMC(Direct Simulate Monte Carlo)方法是处理稀薄气体问题的一种有效的方法,但现有的DSMC存在着网格生成及处理复杂、算例需进行大量人工调整、计算量大、耗时长等缺点.分析DSMC方法中对网格的要求以及网格在整个DSMC方法中所起的作用,提出了动态划分碰撞网格的DSMC算法,有效地解决了复杂流场条件下网格自适应的问题,并通过实验验证了该算法的正确性.同时,针对DSMC算法计算量大的特点,利用共享内存的并行模型对动态网格的DSMC算法进行了并行化,得到了较好的结果.     

基于PHG平台的非结构四面体网格欧拉方程间断有限元并行求解器

针对计算流体力学对高性能计算的需求,基于三维并行自适应有限元程序开发平台PHG (Par-allel Hierarchical Grid)开发了在非结构四面体网格上求解可压缩流欧拉方程的间断有限元法并行求解器(Libdgphg库).该求解器以C++函数库的形式实现数值方法中各项功能.实施了模态基一次间断有限元,采用低耗...     

一个基于PHG平台的并行有限元生物分子模拟解法器

本文介绍一个面向生物分子模拟的并行有限元解法器,该解法器基于三维并行自适应有限元软件平台PHG~([1]),计算并模拟在生物溶液系统在静电场下的扩散过程.该解法器的最新版本在已有算法的基础上~([2]),添加了整体求解、含时求解等一些新算法,规范并扩展了边界条件的选取,并整合多项辅助功能,现提供对于Poisson-Nernst-Planck(PNP)方程的两个含时算法和四个稳态算法,以及对于Smoluchowski-Poisson-Boltzmann(SPB)方程的一个稳态算法.解法器可模拟生物分子,离子通道和纳米管等模型,通过有限元方法计算静电场和离子浓度分布,并计算电流强度、反应速率等物理量,可研究离子通道的选择机理,酶的催化反应过程及反应速率等问题.相关软件、工具和进展见www.continuummodel.org.     

Poisson-Boltzmann方程的并行有限元求解及网格自适应生成

说明如何利用并行自适应有限元软件平台PHG 求解生物分子溶液体系的非线性Poisson-Boltzmann方程,并介绍一种解决这类问题的方法,它将网格生成与自适应计算过程结合在一起,可自动产生合适的网格,避免复杂的曲面网格生成步骤.之前的网格生成工作有：（1） TMSmesh生成高斯曲面的三角网格; （2） TransforMesh删除自相交的三角网格; （3） ISO2Mesh提高表面网格质量3个步骤.而基于PHG的自适应加密模块可以在逐次调整网格的同时保持动态负载平衡,高效地得到计算网格用于近似求解非线性Poisson-Boltzmann方程.计算了小球模型和AChE系统,分别从误差指示子下降阶和溶剂化能收敛的角度验证了方法的有效性,并且还将网格生成算法成功地应用于gA离子通道.     

hp自适应有限元计算中一种新的自适应策略

本文对hp自适应策略进行了研究,在前人提出的几种基于误差下降预测的hp自适应策略的基础上给出了一个新的hp自适应加密策略.该策略适用于二维三角形、四边形和三维四面体、六面体等不同类型的单元,适用于正则加密、二分加密等不同自适应加密方式.数值实验表明,该策略可以达到最优的误差指数下降阶,并在数值解的精度和计算效率上优于文献中的一些策略.该部分工作已集成到自适应有限元计算框架PHG的hp自适应模块.     

大规模空气动力学数值模拟中的并行重叠网格装配技术

重叠网格方法因为其网格生成简单、局部网格质量高等优点,是模拟有相对运动的非定常问题的一种常用方法。重叠网格首先需要装配过程,即通过建立网格间的重叠关系、确定宿主及待插值单元,实现网格间的流场信息交换。本文针对大规模数值模拟中,网格分散存储在多个处理器上的情况,研究了分布式重叠网格装配方法。本文先提出分布式网格装配问题,再详细阐述适用于三维结构网格的分布式装配技术,最后利用标准的机翼挂载模型对算法进行了测试,结果表明该算法可以在保证较高并行性的同时,为非定常计算提供准确的流场插值信息。     

基于AABB树的聚变堆形变部件碰撞检测算法

针对工程设计中形变部件的限元模型的碰撞检测问题,提出了一种基于AABB树的快速碰撞检测算法.对于需要分析的有限元,对几何表面进行三角化,随后建立AABB包围盒,并采用优化的AABB树算法进行空间划分;利用AABB树与包围盒排除不相交图形,采用Devillers算法测试三角形相交,并利用并行方式加快计算.实验结果表明,本算法有效提高了碰撞检测的效率,适用于复杂有限元模型的碰撞检测.     

三维结构分析并行自适应有限元软件PHG-Solid

介绍了所研制的一个开源三维结构分析并行自适应有限元软件PHG-Solid。它是以并行自适应有限元软件平台PHG为基础开发的,支持在纯三维结构上进行并行自适应有限元分析。与现有的商业和开源结构分析有限元软件相比,PHG-Solid的特点和优势在于:1)支持完全自动化且高度并行的自适应有限元计算;2)能稳健高效地求解大规模问题,具有很好的计算规模可扩展性;3)易于扩展,用户可根据需要添加相应的计算模块。通过几个大型数值算例来展示该软件的计算能力和并行可扩展性,其中的最大计算规模超过了5亿自由度,最大并行规模达到了1024个MPI进程。     

一种适用于数字考古的三维数字水印算法

提出了一种适用于三维数字文物的自适应的三维数字水印算法.该算法选择三维物体中心点到顶点的向量作为水印载体,首先重排网格顶点顺序,再将水印信息自适应地嵌入重排顶点中.实验证明该算法具有较好的鲁棒性、安全性和实用性.该算法已经在考古数字博物中得到应用.     

大规模并行粒子模拟中基于主从架构的负载平衡策略研究与实现

粒子方法作为一种直观而且普适的模拟方法,在化工、材料、生物等领域得到了广泛的应用。本文采用主从(Master／Slave)并行模型,基于正交递归对分法(recursive coordinate bisection,RCB)和规则网格,设计出一种适用于具有多种复杂粒子的粒子系统并行模拟的负载平衡方法。应用该方法,在集群系统上采用离散元方法模拟了某钢铁公司滚筒系统。模拟采用4个节点,根据是否利用负载平衡模块分别进行测试,计算结果分析表明采用本文的负载平衡策略,计算效率提高了约14％。本文的算法具有较好的通用性,可以方便地应用于其它粒子方法的大规模并行计算问题。     

德洛内三角剖分算法在三维医学图像方面的应用

本文提出一种新颖的适用于实时有限元分析的四面体网格生成算法，该算法在并行插入与删除网格节点的前提下，能够保证网络生成的质量即保证最小二面角的临界值和网格生成的保真度即能够保证组织的外部边界和组织间的边界。实验证明我们的算法适用于真实的医学图像，并且具有较好的加速比。     

接触力学自适应无网格计算系统设计

在求解弹塑性接触问题时,为了保证计算精度同时减少计算耗费,提出一种接触力学自适应无网格计算系统.利用无网格法结点排布灵活便于删减等优点,对采用基于应变能梯度的自适应无网格伽辽金一有限元方法求解接触问题的计算系统的原理、算法流程进行阐述,并考虑到自适应影响域半径、弹塑性等关键问题.采用模块化思想进行程序设计.通过圆柱体与弹塑性平面接触的算例验证了计算系统的正确性,并将自适应密化解与整体密化解比较,显现出良好的计算精度和效率.为接触力学自适应无网格分析软件商业化提供了一种理论和程序设计基础.     

一种基于网格与加权信息熵的OPTICS改进算法

针对现有OPTICS算法时间复杂度高且不适用于数据密集型环境的问题,提出一种基于网格与加权信息熵的改进算法。将数据集合划分为一定数量的网格单元,引入加权信息熵,自适应计算每个网格单元的最小密度阈值。对满足最小密度阈值的网格单元定义密集格的概念,利用质心点代替网格数据点集的方法对数据点进行压缩。采用Geolife Trajectories数据集对算法性能进行测试,从理论分析和实验结果两方面证明了改进算法的有效性。     

基于特征约束点的纹理映射算法

纹理映射技术用于生成物体表面的纹理细节,是真实感图形技术的重要组成部分,也是计算机图形学的一个重要研究方向.针对目前很多纹理映射算法计算量大,方法比较复杂的缺点,应用Candide3作为三维网格模型,提出了一种快速有效的基于特征约束点的纹理映射算法.通过在三维网格模型和纹理图像上选取少量对应的特征约束点,利用三角网格剖分算法在纹理图像上建立选取特征点的三角网格.进而通过求取质心坐标的方法计算出三维网格模型上所有特征点的纹理坐标并完成整个三维网格模型的纹理映射.实验结果表明,提出的算法计算速度较快,能够得到高真实度的纹理映射效果,并且适用于不同纹理图像映射到同一三维网格模型上.     

求解跨音速势流的自适应并行多重网格算法

本文用并行Ｓｃｈｗａｒｚ方法求解了轴向大扰动、径向小扰动的跨音速势流方程，并用自适应多重网格算法作为整体修正。数值计算表明：自适应并行多重网格算法可使计算效率大为提高。     

并行空间自适应多重网格集成电路热分析方法

针对集成电路设计阶段的重要步骤之一——热分析中的稳态分析问题,将多线程并行计算技术和目前最先进的空间自适应多重网格方法相结合,提出一种基于多核并行空间自适应多重网格的热分析方法.根据CPU的核数对芯片进行区域划分,并根据划分情况构造适用于块Jacobi迭代的分块热导矩阵,每一个划分区域对应一个矩阵子块.对全局的稳态热分析问题采用块Jacobi迭代法,每一次块Jacobi迭代需要并行地计算每个子块方程组,每个子块方程组的计算采用空间自适应多重网格方法;用八叉森林数据结构记录每个子块的网格层次信息,为多重网格计算提供不同网格层次下的热导矩阵.实验结果表明,文中方法在保证稳态热分析精度的前提下,在32核CPU上可以达到近似线性的理想加速比,能够有效地应用于集成电路设计流程,提高热分析效率.