基于GPU/CPU异构平台的微波毫米波集成电路高性能全波算法研究

The full wave analysis of large scale microwave and millimeter wave integrated circuits have been a hotspot in the area of computational electromagnetics. As one of the most important algorithm, IE-MoM has the advantages in geometric modeling, less of unknowns and stability of matrix equation, however, it still has disadvantages in computational cost, especially in multilayered vertical interconnects, and parallel mainframe. Based on the GPU/CPU heterogeneous platform for high performance computing (HPC), this project plans to make developments in the following aspects: 1. HPC scheme for multilayered Green’s functions and IE-MoM, 2. HPC scheme for millimeter wave multiple interconnects in multilayered structures, 3. HPC scheme for very large scale dense matrix solution with ACA and CG-FFT algorithms. Besides these, a millimeter wave planar Reflectarray antenna and a distributed power amplifier will be designed and simulated by using the proposed HPC algorithms, including geometric modeling, numerical simulation, numerical calibration and measurements. Corresponding HPC schemes will be released for the fast full wave analysis of complicated large scale microwave and millimeter wave circuits in multilayered structures.

微波毫米波复杂大规模集成电路的高性能全波算法是国际计算电磁学领域的研究热点和难点。积分方程矩量法作为分析此类结构的重要方法，具有几何建模难度低、未知量数目少、矩阵方程稳定的优势，但同时也伴有Green函数计算耗时、垂直结构计算量大、并行框架不明显的劣势。本项目基于GPU/CPU异构平台，针对此类问题提出高性能求解方案，将开展以下研究：1）分层媒质空域并矢Green函数及积分方程矩量法的高性能计算，2）分层媒质毫米波高频段复杂多通孔互联结构的高性能计算，3）分层媒质结构中超大规模稠密矩阵压缩算法和共轭梯度-快速傅立叶变换算法的高性能计算；并分别结合毫米波平面反射阵列天线、毫米波超宽带分布式放大器中的多端口耦合微带线及复杂多通孔结构进行几何建模、仿真计算、数值校准和实验测试，最终建立分层媒质大规模集成电路及芯片的高性能求解方案。

项目基于GPU/CPU异构平台，基于麦克斯韦积分方程和矩量法，实现了多种高性能电磁计算方法，并在微波、毫米波多层集成电路和天线领域得到验证。项目主要研究内容包括：1）分层媒质空域并矢Green函数与积分方程矩量法的高性能计算，2）分层媒质结构中复杂垂直互联结构的高性能计算；3）分层媒质结构中超大规模稠密矩阵压缩算法和共轭梯度--快速傅立叶变换（CG-FFT）算法的高性能计算；4）作为算法验证，算法支撑了大规模毫米波平面反射阵列天线、微波宽带天线的仿真计算，并基于砷化镓半导体工艺，设计了一款超宽带分布式低噪声放大器芯片，对芯片内部无源结构进行全波仿真和参数提取。项目所取得的重要结果包括：1）基于GPU/CPU异构平台，实现了复宗量Bessel函数和Hankel函数的精确、快速计算，并实现了分层媒质并矢Green函数的高性能计算方法；实现了一种OpenMP-CUDA-MLFMM混合算法和一种高性能自适应交叉近似（ACA）算法，并应用于电大尺寸目标的电磁散射计算；2）基于该算法，以砷化镓（GaAs）半导体工艺为目标，研究了多层结构中顶层金属焊盘（Pad）与垂直背孔（Back Via）之间电流信号的传输机制，建立了空域多层并矢Green函数随场-源变化的高维并行插值算法，针对毫米波在片测试探针结构所对应的G-S-G焊盘予以精确计算和验证，确保了算法的正确性与有效性；3）基于GPU/CPU异构平台，实现了一种深度优化的共轭梯度-快速傅里叶变换（CG-FFT）算法，用于计算毫米波多层平面透镜结构，成功求解基于分层媒质Green函数的大型稠密矩阵；4）基于前述分层媒质Green函数，实现了一种高效的Chebyshev插值算法，用于计算宽带/超宽带天线和无源结构；基于砷化镓半导体工艺，设计了一款超宽带分布式低噪声放大器芯片，并采用前述方法对芯片内部的行波耦合传输线等无源结构进行仿真验证。项目所取得成果可视为分层媒质结构积分方程矩量法在GPU/CPU异构平台上重要的有益尝试。相比于麦克斯韦微分方程类的电磁算法，积分方程矩量法不具备天然的并行优势，但通过CUDA-C语言的重新编译与优化，使得这类算法在计算效率方面得到了本质性的提升。特别对于集成电路和阵列天线，其优势将得到进一步发挥。