采用B／S架構(gòu)的半導(dǎo)體TCAD網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺構(gòu)建研究

常玉春，李 喆，李傳南

（吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

1 介紹

隨著微電子產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，微電子產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)了整個(gè)電子行業(yè)的發(fā)展，也成為了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的龍頭之一。高等院校對微電子及集成電路專業(yè)的人才培養(yǎng)方式越來越強(qiáng)調(diào)對學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)［1－2］。在微電子專業(yè)主要的專業(yè)課程，如半導(dǎo)體器件物理、半導(dǎo)體物理、半導(dǎo)體和集成電路工藝等課程的教學(xué)中，傳統(tǒng)的黑板畫示意圖或者PPT演示教學(xué)方法無法與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)的結(jié)合，例如在半導(dǎo)體和集成電路工藝課程中，學(xué)生需要充分掌握整個(gè)芯片的生產(chǎn)過程、器件參數(shù)設(shè)置等較為詳細(xì)的內(nèi)容；又如在半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件物理課程中，對電勢、電場強(qiáng)度、載流子濃度等器件內(nèi)部的物理量不僅需要學(xué)生定性掌握，而且還需要有定量的概念。但目前，由于設(shè)備及其維護(hù)費(fèi)用高昂，大部分高校還無法為本科生、研究生提供半導(dǎo)體生產(chǎn)線及設(shè)備來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。因此，采用TCAD（technology computer aided design）軟件來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)是一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)、并值得推廣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式［1－4］。

TCAD是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，主要進(jìn)行半導(dǎo)體器件的工藝仿真和器件電學(xué)性能模擬；利用TCAD工具還可以在理論上預(yù)期半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)中各個(gè)工藝過程對器件性能的影響，例如擴(kuò)散溫度和離子注入劑量和能量對半導(dǎo)體材料摻雜的影響，雜質(zhì)的濃度分布；還可以分析整個(gè)工藝過程完成后半導(dǎo)體器件的電學(xué)參數(shù)等［5－6］。TCAD利用有限元方法來聯(lián)立求解流體力學(xué)方程、熱傳導(dǎo)方程、擴(kuò)散方程、泊松方程、載流子連續(xù)性電流方程等，甚至可包含薛定諤方程和馬克斯韋方程，然后進(jìn)行穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)電勢、電場、電子、空穴等物理量的求解，并進(jìn)一步得到器件的電流、電壓、電容等宏觀物理參數(shù)特性。計(jì)算過程可以進(jìn)行網(wǎng)格動(dòng)態(tài)調(diào)整，可控制收斂，可以計(jì)算一維、二維和三維器件結(jié)構(gòu)及與時(shí)間有關(guān)的瞬態(tài)過程等［5－8］。

目前比較流行的TCAD軟件包括Synopsys公司的Tsuprem、Medici、Davinci和Sentaurus TCAD等，以及 Silvaco公 司的Atlas、Athena等軟件套裝［5－6］。因?yàn)榘雽?dǎo)體器件工藝和結(jié)構(gòu)可能非常復(fù)雜，所以在設(shè)計(jì)過程中可能需要大量試驗(yàn)和調(diào)整參數(shù)，對計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度、穩(wěn)定性等要求較高，目前這幾種TCAD工具大多運(yùn)行在Unix或Linux等類Unix操作系統(tǒng)上，可以單機(jī)運(yùn)行，也可以在服務(wù)器上運(yùn)行。同時(shí)，TCAD軟件面向?qū)I(yè)用戶，假定用戶具備了專業(yè)Linux系統(tǒng)的操作知識，具備編寫腳本的能力，但由于TCAD軟件沒有在易用性、人機(jī)界面上做優(yōu)化，學(xué)生需要先熟悉操作系統(tǒng)，因此使用起來較為復(fù)雜。另外，同其他的專用EDA軟件類似，TCAD軟件的價(jià)格比較昂貴，購買大量的license用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)既耗費(fèi)大量的資金，對大多數(shù)高校來說也比較困難［1－3］。

針對以上問題以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目開銷相對較小的情況，我們利用目前在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中比較流行的B／S架構(gòu)［9－10］，建立了一套半導(dǎo)體 TCAD 仿真設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。其中，TCAD軟件運(yùn)行在配置較高的服務(wù)器端，學(xué)生利用 Windows系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，通過服務(wù)器訪問TCAD軟件，發(fā)出仿真指令，利用瀏覽器來顯示計(jì)算結(jié)果，以及顯示曲線、圖表，并能夠按照需要以文本及矢量圖形、點(diǎn)陣圖片等格式保存到本地電腦上。每個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對象基本不占用服務(wù)器存儲空間，不必在服務(wù)器端生成賬戶，因此極大地方便了學(xué)生的使用，簡化了教師的系統(tǒng)維護(hù)工作，并保障了服務(wù)器運(yùn)行的安全性。另外，采用該方式避免了購買多l(xiāng)icense TCAD所需的大量資金，對于高校開展器件和集成電路EDA實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有很大的實(shí)用價(jià)值。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺架構(gòu)

B／S架構(gòu)即是以瀏覽器／服務(wù)器的結(jié)構(gòu)來搭建TCAD網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，是一種對C（計(jì)算機(jī)）／S（服務(wù)器）架構(gòu)技術(shù)的改進(jìn)。圖1是采用中間件的B／S邏輯結(jié)構(gòu)的示意圖。該架構(gòu)是典型的三層體系結(jié)構(gòu)，利用中間件將應(yīng)用分為表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)存儲層3個(gè)不同處理層。中間件不僅負(fù)責(zé)客戶端（瀏覽器接口）與服務(wù)器、服務(wù)器與服務(wù)器間的連接和通信，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用與數(shù)據(jù)庫的高效連接，而且還提供一個(gè)三層結(jié)構(gòu)應(yīng)用的開發(fā)、運(yùn)行、部署和管理的平臺。這種三層結(jié)構(gòu)在層與層之間相互獨(dú)立，任何一層的改變不會影響其他層的功能［8－9］。

圖1 采用中間件的B／S架構(gòu)邏輯層次結(jié)構(gòu)

具體實(shí)現(xiàn)時(shí)B／S架構(gòu)必須借助于Internet，其典型物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中下部所示的臺式電腦、筆記本電腦及平板電腦通過瀏覽器接口連接到Internet，同時(shí)服務(wù)器端（包括應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、文件服務(wù)器等）直接、或通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器也連接到該網(wǎng)絡(luò)。由于B／S結(jié)構(gòu)是基于 WWW（萬維網(wǎng)）服務(wù)的，絕大部分計(jì)算、數(shù)據(jù)及文件操作都由服務(wù)器端完成，而只有很少的邏輯功能在瀏覽器中實(shí)現(xiàn)，因此對客戶計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的種類和版本無關(guān)，只需瀏覽器軟件即可接入使用。這樣計(jì)算能力與功能完全集中于服務(wù)器中，使得TCAD系統(tǒng)維護(hù)變得相當(dāng)簡單。無論用戶的使用量有多大都不會影響維護(hù)成本，這種計(jì)算能力向遠(yuǎn)程服務(wù)器集群的方式正是當(dāng)今的發(fā)展趨勢，即所謂“云”計(jì)算。同時(shí)，應(yīng)用WWW服務(wù)來進(jìn)行程序接口的訪問，使得用戶的管理簡化，最大限度地維持了服務(wù)器安全性。因此，基于B／S架構(gòu)的TCAD網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的使用不依賴于用戶的操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序，不局限于學(xué)校實(shí)驗(yàn)室機(jī)房使用，學(xué)生在校園網(wǎng)的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)、用任何終端瀏覽器，包括智能手機(jī)、平板電腦都可以通過瀏覽器進(jìn)行使用［9－10］。

圖2 B／S架構(gòu)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該TCAD網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺服務(wù)器端采用主流的Linux操作系統(tǒng)，TCAD軟件采用Synopsys公司的Medici軟件。Medici是國際上廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體器件特性仿真工具，能夠計(jì)算多種半導(dǎo)體器件的電、光學(xué)特性參數(shù)。該軟件屬于終端操作類型軟件，使用時(shí)首先利用文本編輯器編寫器件描述語句，然后在終端下運(yùn)行該程序，并將計(jì)算過程及相關(guān)信息顯示在終端下。在器件描述語句中可以控制Medici將計(jì)算結(jié)果保存成文本文件或生成圖形數(shù)據(jù)，然后，調(diào)用繪圖軟件（tmaplot）進(jìn)行圖形繪制，來形象地顯示計(jì)算結(jié)果。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。

圖3 基于B／S架的TCAD網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐教學(xué)平臺軟件架構(gòu)

代碼通過編輯，然后利用Ajax異步提交至服務(wù)器，服務(wù)器會將代碼暫時(shí)寫入磁盤，之后調(diào)用PHP腳本啟動(dòng)終端運(yùn)行shell指令，運(yùn)行安裝在服務(wù)端的Medici對代碼進(jìn)行解析，從而得到仿真結(jié)果。服務(wù)端的Nginx是一種輕量級的萬維網(wǎng)服務(wù)程序，它可以輕松地應(yīng)對高并發(fā)請求，同時(shí)還具有非常出色的平衡負(fù)載的能力，非常適合服務(wù)器集群之間資源的協(xié)調(diào)分配。服務(wù)端腳本采用的是PHP，這是一種被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)站的腳本語言，例如著名的社交網(wǎng)站Facebook就是使用PHP語言搭建的。PHP語言還有一個(gè)出色的功能就是可以直接調(diào)用終端執(zhí)行指令，首先利用PHP調(diào)用終端啟動(dòng)Medici，并將結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中；然后利用服務(wù)器的緩存機(jī)制，結(jié)合用戶瀏覽器的命令來進(jìn)行數(shù)據(jù)的釋放和發(fā)送。瀏覽器的緩存機(jī)制相對于服務(wù)器要簡單得多，總體上講就是會設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)數(shù)據(jù)長度低于這個(gè)閾值時(shí)瀏覽器不會進(jìn)行輸出，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)累計(jì)長度高于這個(gè)閾值時(shí)才會進(jìn)行輸出，而這個(gè)閾值一般不高于2 048字節(jié)，所以只需將每次服務(wù)器輸出的數(shù)據(jù)達(dá)到2 048字節(jié)即可，最簡單的方法就是在數(shù)據(jù)后加上多個(gè)空格。

至此，瀏覽器與服務(wù)器之間的聯(lián)系、服務(wù)器調(diào)用Medici進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、瀏覽器實(shí)時(shí)監(jiān)控Medici運(yùn)行狀態(tài)這3個(gè)任務(wù)已經(jīng)全部完成。結(jié)合利用JavaScript來編寫的瀏覽器前端界面程序，即將瀏覽器與服務(wù)端TCAD 軟件組成了有機(jī)的整體［9－10］。

3 平臺界面與基本功能

平臺界面如圖4所示。瀏覽器采用Google公司的Chrome，這是一種較新的產(chǎn)品，因而本平臺具有通用型特點(diǎn)。圖4（a）是TCAD描述語句的輸入窗口，該窗口是在瀏覽器框架結(jié)構(gòu)的文本編輯器，并針對Medici設(shè)置了語法加亮功能［11］。用戶可在線編輯描述語句，也可離線編輯，然后通過該網(wǎng)絡(luò)文本編輯器傳送代碼至服務(wù)器端［12］；描述語句通過Chrome上傳給服務(wù)器端后，由TCAD軟件進(jìn)行語法分析和仿真計(jì)算；計(jì)算結(jié)束后將數(shù)據(jù)發(fā)回，由瀏覽器負(fù)責(zé)將回傳數(shù)據(jù)以用戶指定的方式進(jìn)行顯示［13］。圖4（b）顯示的是一個(gè)光電探測器入射強(qiáng)度在該器件內(nèi)部的分布圖，顯示方式是真彩顏色梯度方式。在該顯示模式下還可以進(jìn)行電勢、電場強(qiáng)度、載流子濃度等物理量的顯示；圖4（c）顯示的是該器件的電壓－電流關(guān)系曲線，圖4（d）是圖4（c）曲線的數(shù)據(jù)。值得注意的是，本平臺具有本地存儲功能，即支持圖形的點(diǎn)陣方式存儲，也支持向量方式存儲。后者的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行曲線、器件結(jié)構(gòu)的無極放大［13－15］。

4 系統(tǒng)壓力測試

對實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺分別采用兩種方式進(jìn)行了壓力測試。第1種是利用傳統(tǒng)的圖形界面登錄服務(wù)器來使用TCAD的方式，第2種是利用本文提出的B／S架構(gòu)來使用TCAD軟件。服務(wù)器CPU負(fù)載情況的對比如圖5所示。圖5（a）顯示的是第1種方式CPU的負(fù)載；圖5（b）是第2種方式CPU的負(fù)載。

圖4 系統(tǒng)界面

圖5 兩種不同使用方式中服務(wù)器CPU負(fù)載情況對比圖

實(shí)驗(yàn)所使用的TCAD執(zhí)行代碼相同，運(yùn)行后所生成的結(jié)果相同?？梢钥闯觯翰捎玫?種方式會使服務(wù)器CPU占有率出現(xiàn)兩次峰值，第1次峰值是用戶與服務(wù)器建立連接并啟動(dòng)圖形界面產(chǎn)生的，第2次峰值是用戶啟動(dòng)服務(wù)器中的TCAD軟件產(chǎn)生。采用本文介紹的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)只會使服務(wù)器CPU占用率產(chǎn)生1次峰值，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)是基于HTTP協(xié)議的，在不使用時(shí)不會產(chǎn)生鏈接。從圖5中可以清楚地看出，采用本文方式系統(tǒng)只產(chǎn)生了25%的CPU負(fù)載，而傳統(tǒng)方式大約有60%的CPU負(fù)載。

在上述實(shí)驗(yàn)中，服務(wù)器端的操作系統(tǒng)為Ubuntu 11.10，CPU 為普通的Intel Core i3M380 2.53GHz，2GB內(nèi)存；采用的TCAD軟件為MEDICI 2003；采用Nginx萬維網(wǎng)服務(wù)程序及FastCGI組件；用戶計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為 Windows 7，瀏覽器為Chrome 19.0。

5 結(jié)論

基于B／S架構(gòu)開發(fā)了一款適用于微電子專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的半導(dǎo)體TCAD網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。該平臺的核心是一臺運(yùn)行Linux系統(tǒng)的高性能服務(wù)器，TCAD軟件運(yùn)行在服務(wù)器端，教師擁有利用telnet、SSH等終端登錄工具登錄服務(wù)器的資格和權(quán)力，學(xué)生則需通過指定端口利用瀏覽器來使用該平臺。該平臺的優(yōu)點(diǎn)是由于學(xué)生通過基于Windows系統(tǒng)的瀏覽器訪問服務(wù)器，既方便了學(xué)生，也極大地降低了服務(wù)器的負(fù)載，初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示服務(wù)器負(fù)荷降低了約58%；同時(shí)，該方式無需在服務(wù)器端為每個(gè)學(xué)生建立賬戶，可節(jié)省服務(wù)器硬件成本和網(wǎng)絡(luò)管理成本，并大大地提高了系統(tǒng)的安全性。

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