周期結構中RCWA模擬計算的軟硬件結合加速方法研究.pdf

1、針對周期結構材料的場模擬計算在材料及器件的設計，制造及測量過程中非常重要。針對不同的結構及材料有各種各樣的模擬方法。嚴格耦合波分析方法(Rigorous Coupled-wave Analysis簡稱 RCWA)是一種通過嚴格求解麥克斯韋方程得到周期介質內(nèi)及其周圍場強分布的方法。它利用介質及相關場強的周期性，將相關變量按傅立葉展開后求解，因此也叫傅立葉模態(tài)法（Fourier modal method簡稱 FMM）。這一類的方法針對不同電

2、磁波波長范圍，可用于光柵，微電子結構，光子晶體甚至一般的晶體結構等周期性結構的設計，制造及測量等上面。
　　在模擬計算過程中，這個方法由于涉及大量矩陣運算，計算速度較為緩慢。并且算法本身對不同的結構及入射波收斂性差異較大。為更高效地實現(xiàn)結構的模擬計算，考慮從兩個方面入手，一個是改進算法提高收斂性，二是利用新的硬件實現(xiàn)矩陣運算的加速。目前在提高其計算性能方面主要的研究工作都是針對算法的。
　　本文從實際應用的角度出發(fā)，研究利用

3、GPU(Graphic Processing Unit)加速的矩陣運算庫來加速整個算法的實現(xiàn)。但這樣的運算庫只有在矩陣階次較大時才有加速效果，而嚴格耦合波分析方法中矩陣規(guī)模與算法具體的實現(xiàn)方式有很大的相關性。因此，本文首先分析了RCWA及相關的一個改進算法的實現(xiàn)。然后分析了常見的矩陣運算庫，包括只利用CPU實現(xiàn)及利用CPU與GPU混合架構實現(xiàn)的多個版本。通過對GPU特性的分析，從理論上說明了GPU做矩陣運算的優(yōu)勢及不足。然后對算法中常用