周期結(jié)構(gòu)中RCWA模擬計(jì)算的軟硬件結(jié)合加速方法研究.pdf

1、針對(duì)周期結(jié)構(gòu)材料的場(chǎng)模擬計(jì)算在材料及器件的設(shè)計(jì)，制造及測(cè)量過(guò)程中非常重要。針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)及材料有各種各樣的模擬方法。嚴(yán)格耦合波分析方法(Rigorous Coupled-wave Analysis簡(jiǎn)稱 RCWA)是一種通過(guò)嚴(yán)格求解麥克斯韋方程得到周期介質(zhì)內(nèi)及其周?chē)鷪?chǎng)強(qiáng)分布的方法。它利用介質(zhì)及相關(guān)場(chǎng)強(qiáng)的周期性，將相關(guān)變量按傅立葉展開(kāi)后求解，因此也叫傅立葉模態(tài)法（Fourier modal method簡(jiǎn)稱 FMM）。這一類(lèi)的方法針對(duì)不同電

2、磁波波長(zhǎng)范圍，可用于光柵，微電子結(jié)構(gòu)，光子晶體甚至一般的晶體結(jié)構(gòu)等周期性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，制造及測(cè)量等上面。
　　在模擬計(jì)算過(guò)程中，這個(gè)方法由于涉及大量矩陣運(yùn)算，計(jì)算速度較為緩慢。并且算法本身對(duì)不同的結(jié)構(gòu)及入射波收斂性差異較大。為更高效地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的模擬計(jì)算，考慮從兩個(gè)方面入手，一個(gè)是改進(jìn)算法提高收斂性，二是利用新的硬件實(shí)現(xiàn)矩陣運(yùn)算的加速。目前在提高其計(jì)算性能方面主要的研究工作都是針對(duì)算法的。
　　本文從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，研究利用

3、GPU(Graphic Processing Unit)加速的矩陣運(yùn)算庫(kù)來(lái)加速整個(gè)算法的實(shí)現(xiàn)。但這樣的運(yùn)算庫(kù)只有在矩陣階次較大時(shí)才有加速效果，而嚴(yán)格耦合波分析方法中矩陣規(guī)模與算法具體的實(shí)現(xiàn)方式有很大的相關(guān)性。因此，本文首先分析了RCWA及相關(guān)的一個(gè)改進(jìn)算法的實(shí)現(xiàn)。然后分析了常見(jiàn)的矩陣運(yùn)算庫(kù)，包括只利用CPU實(shí)現(xiàn)及利用CPU與GPU混合架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的多個(gè)版本。通過(guò)對(duì)GPU特性的分析，從理論上說(shuō)明了GPU做矩陣運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)及不足。然后對(duì)算法中常用