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최근 출시된 RSoft Photonic Device Tools 2024.09에는 포토닉 디바이스 시뮬레이션의 효율과 기능을 향상시키기 위해 추가된 파워풀한 신 기능과 몇가지 개선사항이 업데이트 되었습니다. 메인 업데이트는 GPU를 활용한 FullWAVE FDTD 가속화, BeamPROP BPM, MetaOptic Designer, 및 DiffractMOD RCWA의 업그레이드와 더불어 Python 인터페이스 변경사항을 포함합니다. 새롭게 업데이트 된 기능은 포토닉 디바이스를 설계하는 엔지니어에게 상당한 속도 향상, 더 나은 안정성 및 유용성을 제공합니다.
GPU-Accelerated FullWAVE FDTD
GPU 활용을 통한 FullWAVE FDTD 가속화
새롭게 출시된 2024.09 버전의 가장 흥미로운 업데이트 중 하나는 FullWAVE FDTD의 가속화를 위한 GPU 도입입니다. NVIDIA GPU의 병렬 처리 기능을 활용하는 이 새로운 기능은 시뮬레이션 속도를 획기적으로 향상시키며, 벤치마크에서는 8개의 GPU가 기존 24 core CPU 계산에 비해 91배 더 빠른 성능을 제공하는 것으로 나타났습니다.
병렬 효율을 보여주는 아래 Figure 1과 같이 속도 향상 요소(Speedup Factor)를 사용하여 곡선을 정상화합니다. 이는 여러 GPU를 사용할 경우 확장이 잘된다는 것을 보여줍니다. 8개의 GPU를 사용할 경우 단일 GPU를 사용할 경우보다 시뮬레이션보다 속도가 6.5배나 빠릅니다. 이러한 가속화는 대규모 시뮬레이션에 특히 유용하며 사용자는 더 빠르고 효율적으로 결과를 얻을 수 있습니다.
Figure 1: GPU를 활용한 FullWAVE FDTD 가속화, 8개의 GPU는 24 core CPU 보다 91배 빠른 속도를 보임
FullWAVE FDTD의 가속은 CUDA 12.3 이상 버전의 NVIDIA GPU에서 지원되며 호환되는 하드웨어를 사용하는 사용자에게 원활한 통합을 제공합니다. 이러한 개선은 생산성을 향상시킬뿐만 아니라 포토닉스 분야의 연구 개발에 새로운 가능성을 열어줍니다.
Improvements to BeamPROP BPM
BeamPROP BPM 업데이트
BeamPROP의 Beam Propagation Method (BPM) 또한 크게 개선되었습니다. 새로운 버전에서는 정확한 전력 계산을 보장하기 위해 실리콘 포토닉스와 같은 고굴절 대비 구조의 전체 벡터 BPM에 대한 자동화된 전력 재정상화가 도입되었습니다.
Figure 2: 2024.09 버전에 추가된 BeamPROP BPM을 위한 자동 전력 재정상화
자동 재정상화 프로세스는 작업 흐름을 단순화하여 사용자가 최소한의 수동 개입으로 안정적으로 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있도록 도와줍니다. 수치적 불안정성을 억제하기 위해 구성 파라미터를 조정함으로써 업데이트 된 BPM solver는 자동으로 전력을 재정상화하고 인위적인 수치 손실을 제거하여 광범위하고 복잡한 포토닉 구조에서 정확한 결과를 제공합니다.
Improvements to MetaOptic Designer
MetaOptic Designer 업데이트
MetaOptic Designer에 Far-field 최적화를 위한 새로운 기능이 포함되었습니다. 해당 기능을 통해 사용자는 얇은 렌즈 모델을 사용하여 Far-field 스크린을 Near-field 스크린의 초점으로 매핑할 수 있습니다. Far-field 최적화는 LiDAR 및 홀로그램 디스플레이와 같이 Far-field 패턴에 대한 정밀한 제어가 필요한 애플리케이션에 특히 더 유용합니다.
Figure 3: LiDAR를 위한 Far-field 최적화를 위한 실험적 검증
사용자는 타겟 스크린 거리, 메타렌즈 크기 등의 설계 파라미터를 지정하여 디자인을 미세 조정할 수 있습니다. 이러한 유연성 덕분에 메타 면과 메타렌즈에 대한 보다 정확하고 효율적인 설계 프로세스가 가능해졌습니다. 또한 업그레이드 된 시뮬레이션 그리드 크기 및 도메인 제어 기능으로 인해 시뮬레이션의 정확성과 유연성이 향상되어 복잡한 광학 요소를 더욱 효과적으로 최적화 할 수 있습니다.
Improvements to DiffractMOD RCWA
DiffractMOD RCWA 업데이트
DiffractMOD RCWA는 Non-orthogonal 시뮬레이션을 지원하며 이는 육각 및 기타 비직교 격자 구조에 대한 효율적인 시뮬레이션을 제공합니다. 이 업데이트를 통해 사용자는 맞춤형 격자 벡터와 각도를 정의할 수 있으며 이로 인해 복잡한 주기적 구조에 대한 시뮬레이션의 정확성과 수렴성이 향상되었습니다.
Figure 4: 육각 격자를 직사각 격자로 시뮬레이션 할 수 있습니다. 비직교 시뮬레이션의 지원을 통해 DiffractMOD RCWA는 더욱 빠르게 수렴하고 제로 회절 효율인 가상 차수를 제거합니다.
계산 영역 크기를 줄임으로서 비직교 영역 지원을 통해 정확성을 포기하지 않고도 더 빠르고 효율적인 시뮬레이션이 가능합니다. 또한, 회절 효율이 제로인 가상 차수는 격자 주기성의 정확한 모델을 통해 제거됩니다. 이러한 개선은 주기적 구조에 대한 정밀한 제어가 중요한 고급 포토닉 크리스탈 및 메타물질을 사용하는 설계자에게 특히 유용합니다. 비직교 영역을 처리하는 기능은 DiffractMOD를 사용하여 효과적으로 시뮬레이션할 수 있는 적용분야의 범위를 확장합니다.
Python Updates
Python 업데이트
2024.09 버전에서는 Python 인터페이스가 Python 3로 업데이트 되었습니다. 이 전환을 통해 소프트웨어가 더욱 현대화되어 최신 Python 기능과 라이브러리를 활용하여 사용자가 스크립팅 및 자동화 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
해당 업데이트는 재질 정의, 구성요소 속성 설정 및 시뮬레이션 파라미터 제어를 위한 새로운 기능을 지원합니다. 이러한 향상된 기능은 Python API를 더욱 강력하고 사용자 친화적으로 만들어 복잡한 작업 흐름을 자동화하고, RSoft Photonic Device Tools와 다른 소프트웨어 도구 및 사용자가 정의한 스크립트의 통합을 가능하게 합니다.
Summary
결론
RSoft Photonic Device Tools 2024.09 버전은 포토닉 디바이스 시뮬레이션의 속도, 정확성 및 유용성을 향상시키기 위해 설계된 파워풀한 새로운 기능과 업데이트를 제공합니다. FullWAVE FDTD 가속화를 위한 GPU부터 자동 전력 재정상화, MetaOptic Designer의 Far-field최적화, DiffractMOD RCWA의 비직교 도메인 지원에 이르기까지의 업데이트는 포토닉 디바이스 설계 엔지니어에게 큰 이점을 제공합니다. 더불어 Python 3으로 소프트웨어가 업데이트 되었습니다.
위 기능 및 업데이트의 실제 데모 및 이점에 대해 더욱 자세히 알아보시려면 Tech talk을 시청하십시오. 추가 문의사항은 RSoft Technical Support 팀 photonics_support@synopsys.com 에 문의 바랍니다.
Reference
레퍼런스
Figure 2 image is from: Tsuchizawa, Tai, et al. "Microphotonics devices based on silicon microfabrication technology." IEEE Journal of selected topics in quantum electronics 11.1 (2005): 232-240.
Figure 3 image is from: M. Chalony, C. Majorel, A. Loucif, Q. Kuperman, P. Genevet, “Design and characterization of Metasurfaces for LiDAR applications,” SPIE Optical Systems Design, Strasbourg, France, April 2024