Słowa kluczowe: symulator, model rozproszony diody półprzewodnikowe, obliczenia rozproszone, Java, CORBA

Transkrypt

1 Portal internetowy do symulacji fizycznej rzyrządów ółrzewodnikowych z wykorzystaniem technologii CORBA. B.ZIĘBA, J.WOJCIECHOWSKI, G. JABŁOŃSKI, W.ZABIEROWSKI, A. NAPIERALSKI KATEDRA MIKROELEKTRONIKI I TECHNIK INFORMATYCZNYCH POLITECHNIKA ŁÓDZKA, POLSKA Słowa kluczowe: symulator, model rozroszony diody ółrzewodnikowe, obliczenia rozroszone, Java, CORBA STRESZCZENIE: Artykuł oisuje alikację internetową, która jest symulatorem modelu diody ółrzewodnikowej o stałych rozłożonych, oartej na jednowymiarowej analizie numerycznej zjawisk fizycznych zachodzących we wnętrzu struktury ółrzewodnikowej. Kontekstem obliczeniowym (obiektem obliczeniowym) jest rogram MOPS (Modelling Program for Semiconductors) rzeznaczony do analizy układów elektronicznych zawierających rzyrządy ółrzewodnikowe modelowane za omocą jedno-dwu wymiarowych modeli fizycznych, oartych na symulacji zjawisk zachodzących wewnątrz struktury ółrzewodnikowej. Przedstawiany rojekt ma architekturę modułową. Symulator rozrasza obliczenia, które mogą być wykonywane zdalnie. Do komunikacji, omiędzy modułami, wykorzystywana jest technologia CORBA. Warstwę rezentacji tworzy zbiór dynamicznie generowanych stron WWW. Logiczna warstwa alikacji jest zaimlementowana w języku Java w obiektach Serwletów. Projekt jest udostęniony jako ćwiczenie laboratoryjne z Przyrządów Półrzewodnikowych Mocy dla studentów kierunku elektronika. Wrowadzenie Coraz większą oularność zdobywają rozwiązania informatyczne oarte o alikacje internetowe. Interfejs użytkownika w tego tyu alikacjach stanowią dynamicznie generowane strony WWW. Całość rzetwarzanie odbywa się na serwerze, a rzeglądarka stron WWW jest tzw.,,cienkim klientem. Rozwiązania takie stosowane są w wirtualnych bankach, w systemach elektronicznych rezerwacji biletów lotniczych itd. Oisywany rojekt jest rzykładem alikacji internetowej służącej do symulacji fizycznej rzyrządów ółrzewodnikowych. W rojekcie tym kontekstem obliczeniowym (obiektem obliczeniowym) jest rogram MOPS (Modelling Program for Semiconductors)[1]. Jest on rzeznaczony do analizy układów elektronicznych zawierających rzyrządy ółrzewodnikowe modelowane za omocą jedno-dwu wymiarowych modeli fizycznych, oartych na symulacji zjawisk zachodzących wewnątrz struktury ółrzewodnikowej. Alikacja ta ma architekturę modułową, a komunikacja omiędzy stroną logiczną alikacji, a obliczeniową odbywa się orzez zastosowanie technologii CORBA. Każda instancja rogramu MOPS jest obiektem serwera CORBA. Obiekt ten udostęnia usługi (zdalne metody) orzez interfejs ORB (Object Request Broker). Porzez wykorzystywanie tych usług odbywa się: sarametryzowanie obliczeń, ozyskiwanie wyników z kontekstu obliczeniowego (obiektu obliczeniowego). Kontekst obliczeniowy MOPS wykorzystuje model diody ółrzewodnikowej o stałych rozłożonych, oarty na jednowymiarowej analizie numerycznej zjawisk fizycznych we wnętrzu struktury ółrzewodnikowej. Wykonywana jest symulacja DC. Kontekst obliczeniowy jest inicjowany orzez rogram zarządzający (MOPS FACTORY). Program ten rejestruje się w systemie orzez Serwis Nazw (sieciowe reozytorium obiektów CORBA). Komonent alikacji internetowej może zdalnie wywoływać metody na obiekcie MOPS (w tym rzyadku obiekcie serwera). Przyśieszenie obliczeń uzyskuje się dzięki ich rozroszeniu na dwa komutery. Po wykonaniu obliczeń wyniki są scalane i rezentowane użytkownikowi orzez alet. CORBA Idea systemu oiera się na komunikacji realizowanej orzez użycie technologii CORBA. Rozdział ten, rzeznaczony jest dla czytelników niemających wcześniej kontaktu z tą technologią. CORBA jest architekturą zorientowaną obiektowo. Bazuje ona na obiektowym brokerze zaytań - ORB (Object Request Broker). ORB jest komonentem, którego celem jest zaewnienie komunikacji omiędzy obiektami. ORB lokalizuje zdalny obiekt na odstawie referencji IOR (Interoerable Object References) (identyfikator zdalnego obiektu) i nawiązuje ołączenie omiędzy obiektami. Podczas wykonania zdalnych metod (method invocations) ORB rzekazuje arametry metod (marshalling of arameters) oraz transortuje wartości zwracane (return values). Kiedy komonent alikacji chce uzyskać dostę do obiektu CORBA, najierw otrzymuje IOR tego obiektu. Za omocą IOR, komonent uzyskuje referencję na ten obiekt. Porzez tą referencję możliwe jest wywoływanie zdalnych metod obiektu serwera. W

2 technologii CORBA, klientem może być każda alikacja używająca usług obiektu CORBA. Serwerem jest alikacja tworząca obiekty CORBA i udostęniająca usługi. Struktura systemu System składa się z serwera alikacji i węzłów obliczeniowych. Komunikację omiędzy nimi umożliwia architektura CORBA. Składowe systemu mogą być umieszczone na tym samym komuterze. Ze względu na cel systemu, którym jest rozdzielenie obliczeń, wskazane jest zainstalowanie serwera i węzłów obliczeniowych na różnych maszynach. Internet Serwer systemu Rys. 1Struktura sytemu Serwer alikacji ełni funkcję logiczną systemu. Do rawidłowego funkcjonowania alikacji wymagane jest uruchomienie usług: serwera WWW Węzły obliczeniowe TOMCAT[4], systemu zarządzania bazą danych MySQL[5] serwisu nazw -tnameservice, oraz regulatora obciążenia (load balancer). Serwer WWW odsyła strony internetowe o otrzymania żądania od klienta rzeglądarki WWW (sesja HTTP)[2]. Jest on kontenerem komonentów: serwletów JAVA, dokumentów JSP, obiektów JavaBean. Wymienione komonenty to elementy technologii J2EE. ( Zadaniem tych komonentów to: generowanie stron internetowych, rzerowadzanie transakcji z bazą danych i komunikacja z kontekstem obliczeniowym MOPS. Serwis nazw (Name Service) jest zaewniany rzez technologię: Java Develoement Kit lub z imlementacją CORBY - OmniORB. Zadaniem serwisu nazw jest rejestrowanie referencji, czyli wskazań na serwery w rozumieniu CORBA. Węzeł obliczeniowy Serwer Stacja robocza, realizuje funkcję węzła obliczeniowego, w momencie uruchomienia rogramu zarządzającego rogramem MOPS (MOPS FACTORY). Wówczas rogram ten rejestruje swoją referencje w serwisie nazw na serwerze. Za omocą tego rogramu komonenty na serwerze, uzyskują informacje o danym węźle obliczeniowym tj.: wielkość CPU, wartość średniego obciążenia CPU węzła, ilość wolnej i całkowitej amięci. Podczas rozoczęcia obliczeń użytkownikowi rzedstawione są owyższe informacje, co daje ewną orientację o mocy obliczeniowej węzła. użytkownikowi za omocą dowolnej rzeglądarki internetowej z zainstalowanym luginem Javy (JAVA lug-in ver. 1.3.). Użytkownicy systemu WINDOWS znajdą więcej informacji o luginach na stronie: Secyfikacja systemu Funkcjonalność anelu użytkownika Sesje użytkownika w systemie są logowane i śledzone dzięki zastosowaniu techniki:,,cookies. Polega ona na tworzeniu lików tekstowych na komuterze klienta. W likach tych zaisywane są dane sesji. Protokół HTTP jest bezołączeniowy.,,cookies symulują ciągłość ołączenia rotokołu HTTP. Porzez użycie,,cookies użytkownik nie może być zalogowany więcej niż jeden raz w tym samym momencie, oraz chroni się rzed nieautoryzowanym dostęem do symulatora Dostęne ocje użytkownika to: wykonywanie symulacji, dodawanie/usuwanie zadań, odgląd rzestrzeni serwisu nazw (CORBA). Rys. 2.Funkcjonalność anelu użytkownika - alet monitorujący stan systemu. Funkcjonalność anelu administratora systemu W systemie stworzono dwie role. Pierwsza to użytkownik, którego możliwości wymieniono w orzednim rozdziale, a druga to administrator, na.której skoncentrujemy się w tym rozdziale. Klient Symulacja jest wykonywana i rezentowana

3 Rys 3. Funkcjonalność anelu administratora oraz aletu monitorujący stan sytemu. Roli administratora udostęniono ocje: wykonywanie symulacji, dodawanie/usuwanie użytkowników i gru użytkowników, dodawanie/usuwanie zadań użytkowników, odgląd rzestrzeni serwisu nazw (CORBA), i informacji o użytkownikach (adres IP klienta, zadań użytkownika i szczegółów sesji) Pre-rocessor ustawienie arametrów symulacji Rys. 5. Prerocessor- model diody, widok aletu Javy. Stabilizator obciążenia Za omocą stabilizatora obciążenia (load balancer) użytkownik może wybrać jeden lub dwa komutery z uli dostęnych węzłów obliczeniowych w sieci, które będą wykonywały zadane obliczenia. Domyślnie, dwa najbardziej wydajne komutery będą wybierane do rzerowadzenia obliczeń. Symulator zaewnia wizualizację wewnętrznej struktury rzyrządu, co ozwala na lesze zrozumienie zachodzących tam rocesów. Stąd ma duże znaczenie dydaktyczne. Parametry symulacji to: wymiary geometryczne rzyrządu, rofil domieszkowania n+, n, +, ilość unktów dyskretyzacji, zakres naięcia olaryzującego, wymiary diody, czas życia nośników. Dzięki rzerowadzonym symulacją możliwe jest określenie, jak zmiany arametrów ółrzewodnika (n. czas życia czy ruchliwość nośników) wływają na funkcjonowanie rzyrządu (a rzez to całego obwodu). Rys. 6. Zrzut ekranu rezentujący stabilizator Jądro obliczeniowe obciążenia Rys 4 Profil domieszkowania diody -n.. Ustawienie wyżej wymienionych arametrów dokonywane jest w interaktywnym alecie javy ze strony www. MOPS (Modelling Program for Semiconductors) Program umożliwia wykonanie analizy stałorądowej (.DC) jak i stanów rzejściowych (.TRAN). Program imlementuje układ równań dryftowodyfuzyjnych: (1), (2), (3), (4), (5), w celu obliczenia otencjału i gęstości nośników w strukturze ółrzewodnika. Pierwsze równanie to równanie Poissona. (1) 2 q Ψ = ( n + ε N D N A ) Ψ - otencjał elektryczny[v] q ładunek [C]

4 ε -rzenikalność dielektryczna [F/m] n, koncentracja elektronów i dziur [1/m 3 ] ND, NA koncentracja donorów i akcetorów [1/m 3 ] (2) n 1 = J n R + G t q 1 = J R + G t q (3) t czas [s] J n, J gęstość rądu elektronowego i dziurowego [A/m 2 ] G wsółczynnik generacji [1/s/m 3 ] R - wsółczynnik rekombinacji [1/s/m 3 ] (4) (5) J n = q( µ nnen + Dn n) J = q( µ E D ) gdzie, µ n, µ - ruchliwość elektronów i dziur [m 2 /V/s] E n, E - wynikowe ole elektryczne oddziaływujące na elektrony i dziury [V/m] D n, D - wsółczynnik dyfuzyjności elektronów i dziur [m 2 /s] W celu rozwiązania tych równań użyto metody różnic skończonych. Program generuje siatkę jednowymiarową, a równania różniczkowe - cząstkowe zostają zastąione równaniami różnicowymi. Warstwa logiczna alikacji używa komonentów serwletów, w celu komunikacji z rogramem MOPS, rzy użyciu modelu komunikacyjnego CORBA.. Oracowano oniższy interfejs komunikacyjny: interface mos { tyedef sequence<double> doublearray; enum IntQ {V,N,P,E,Jn,J,GenRec}; void SetDeviceGeometry(in long L, in double W, in double S); //L oints number //W - width //S cross section void SetDoingProfile(in doublearray Nd, in doublearray Na); //Nd doing rofile //Na doing rofile void SetTau(in double Taun, in double Tau); //Taun doing n arameter //Tau doing arameter void SetBias(in double U); //U voltage on anode boolean Comute(); void GetInternalQuantities(in IntQ What, out doublearray q); double GetCurrent(); void Shutdown(); }; obliczenia rogramu MOPS. Każda kolejna iteracja zależy bezośrednio od orzedniej. Wszystkie obliczenia charakterystyki muszą rozoczynać się od wartości 0. W innym rzyadku obliczenia nie będą zbieżne. Symulator może rozdzielić obliczenia na dwa komutery. Jeden komuter oblicza charakterystykę od wartości zera w dół charakterystyki, a drugi, od wartości 0 w górę. Po wykonaniu obliczeń komonent alikacji serwlet, zbiera wyniki z rogramu MOPS wywołując metody: GetInternalQuantities, GetCurrent. Wyniki są zaisywane do bazy danych. Program MOPS kończy swoje działanie, gdy zdalnie jest wywoływana jego metoda: Shutdown. Wyniki symulacji Wyniki symulacji są zarezentowane na dwóch wykresach (rys. 7,8,9,10). Pierwszy (w górnej części ekranu) jest charakterystyką rądowonaięciową. Żółty unkt na charakterystyce oznacza unkt racy diody. Użytkownik może ustawić unkt racy w dowolnym unkcie charakterystyki, regulując suwak (ośrodku ekranu). Dla każdego unktu racy charakterystyki, w dolnej części ekranu, rezentowane są wartości wewnętrzne diody. Odowiednio zaznaczając ola tyu,,check box o rawej stronie ekranu, wyświetlane są wartości wewnętrzne: otencjał elektryczny, koncentracja elektronów, koncentracja dziur, ole elektryczne, gęstość rądu elektronowego, gęstość rądu dziurowego, wsółczynnik rekombinacji. Rys. 7. Interaktywny alet Javy rezentujący wyniki symulacji. W dolnej części wykresu okazano rozkład otencjału i ola elektrycznego wewnątrz rzyrządu dla stanu zaorowego. Wszystkie metody okazane owyżej są zaimlementowane rzez rogram MOPS. Strona serwera uzyskuje referencję na nowo utworzoną instancję rogramu MOPS. Zdalne wywołanie metod SetDeviceGeometry, SetDoingProfile, SetTau, SetBias służy zdefiniowaniu arametrów obliczeń. Wywołanie metody Comute inicjuje iteracyjne

5 Rys. 8. Interaktywny alet Javy rezentujący wyniki symulacji. W dolnej części wykresu okazano koncentracje elektronów i dziur dla stanu blokowania. Głównym celem rojektu było stworzenie alikacji internetowej, która zaewniałaby łatwy w obsłudze interfejs do symulacji zjawisk zachodzącego w diodzie ółrzewodnikowej używając w tym celu jednowymiarowego modelu fizycznego. System zaewnia bezieczny, autoryzowany sosób kontrolowania obliczeń ze śledzeniem ostęu i możliwością ich anulowania w trakcie. Użyte zostały niekomercyjne orogramowanie takie jak: system bazy danej: MySQL, serwer WWW Tomcat, środowisko rogramistyczno-uruchomieniowe Java i architektura wywołania zdalnych metod obiektów CORBA. Wszystkie cele rojektu zostały zrealizowane omyślnie i zaroonowany system rozroszenia obliczeń może działać w rzyszłości z innymi elementami elektronicznych symulacji. Autorzy mgr inż. Bogumił.Zięba, mgr inż. Jarosław.Wojciechowski, dr inż. Grzegorz.Jabloński, mgr inż. Wojciech Zabierowski, rof. Andrzej.Naieralski Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatyczych, Politechnika Łódzka, Al. Politechniki 11, PL Łódź, Polska. Literatura Rys. 9. Interaktywny alet Javy rezentujący wyniki symulacji. W dolnej części wykresu okazano szybkość rekombinacji i koncentrację dziur dla stanu rzewodzenia. [1] G. Jabłoński - Komuterowa analiza układów elektronicznych z zastosowaniem wielowymiarowych modeli fizycznych rzyrządów ółrzewodnikowych mocy - rozrawa doktorska., Politechnika Łódzka, 1999, Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych, Politechnika Łódzka [2] World Wide Web Consortium Secyfikacja języka HTML 4.0 htt:// [3] Object Management Grou (OMG) Secyfikacja technologii CORBA htt:// ec_catalog.htm [4] Strona rojektu JAKARTA Secyfikacja serwera TOMCAT htt://jakarta.aache.org/tomcat/ [5] Strona rojektu MySQL. Secyfikacja systemu bazy danych MySQL htt:// Rys. 10. Interaktywny alet Javy rezentujący wyniki symulacji. W dolnej części wykresu okazano rzebieg rądu dziurowego i elektronowego. Podsumowanie