g. goch, s. simon1 g. goch und s. simon modellierung kohärenter streulicht- messprozesse für...

G. Goch, S. Simon 1

G. Goch und S. Simon

Modellierung kohärenter Streulicht-Messprozesse für deterministische Nanostrukturen und stochastische

Oberflächendefekte

Hochschule Bremen Fachgebiet Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik

G. Goch, S. Simon 2

Gliederung

1. Einleitung - Ziel: Neue Entwurfsmethodik für Streulicht-Messprozesse basierend auf Computer-Simulationen

2. Modellierungsansatz für Streulicht, Oberflächen, Aufbau

3. Algorithmenentwurf, Simulation Herausforderung: Rechenzeit ~ PC: Tage bis Monate

4. Gewählter Lösungsansatz für das Hardware/Software-System (HW/SW-System) 5. Zusammenfassung

G. Goch, S. Simon 3

Streulichtmessverfahren

Optische Verfahren für die Oberflächen-Charakterisierung

Angle Resolved Scattering

Reflexionsmessung

Total Integrated Scattering

Diffuseness Measurement

Konventionelle Streulichtverfahren

Speckle-Verfahren

winkelabhängig

Speckle-Korrelation

Specklemuster-Beleuchtung

Speckle-Kontrast

wellenlängenabhängig

Speckle-Korrelation

wellenlängenabhängig

G. Goch, S. Simon 4

Polychromatisches Streulichtmess-Verfahren für Rauheitsmessungen

PolychromatischeLichtquelle(Laser / LED)

Raue Oberfläche

Linse

Strahlteiler

f

Rauheitsabhängige Speckle-Elongation

Speckle-Muster

CCD-Kamera

Chip

G. Goch, S. Simon 5

Computer-Simulation von Streulichtmessprozessen

Computer-Simulationen

Mess-Objekte, (Messaufbau)

Wochen, Monate

Stunden!, Tage

Simula-tionen

Neue Auswerteverfahren

Neue Oberflächentypen: Strukturen u. Mikrotopographien:

PolychromatischeLichtquelle(Laser / LED)

Raue Oberfläche

Linse

Strahlteiler

f

Speckle-MusterCCD-

Kamera

Chip

G. Goch, S. Simon 6

Entwurfsmethodik für Streulicht-Messprozesse

Experiment(Messtechnik)

Theorie(Optik, Signal-verarbeitung)

DFG-Projekt

Computer-Simulationen

G. Goch, S. Simon 7

FilterungSkalierung

Simulationsmodell - Oberflächenmodell

Oberflächenmodell(Höhe in nm)

Zufallswerte (normalverteilt)

x-Position

y-Position

0

5

x-Position

y-Position

3000

0

G. Goch, S. Simon 8

Simulationsmodell - Streufeldmodell

xdxy

),( yxh

Beleuchtung

1

0

Amplitudenverteilung S0(x,y)

)b/ya/x-(0

2222

ey)(x,S a , b: Durchmesser des Leuchtflecks

G. Goch, S. Simon 9


xdxy

),( yxh

Op

tisch

e A

chse Specklebild

φγ

Gangunterschied derTeilwellen:

),(2

sin

sin

yxh

dyy

dxxl

G. Goch, S. Simon 10


xdxy

),( yxh

Op

tisch

e A

chse Specklebild

φγ

Phasendifferenz derTeilwellen:

l 2



xdxy

),( yxh

Op

tisch

e A

chse Specklebild

φγ

Elektisches Feldin einem Pixel:

ny

y

nx

x

jeyxS

E

1 10 ),(

),(

nx,ny: Anzahl FE



xdxy

),( yxh

Op

tisch

e A

chse Specklebild

φγ

Bestrahlungstärkein einem Pixel:

2),(~),( EI


BerechnungsaufwandBerechnungsaufwand für: • Flächenelemente: 100x100 FE• Bildgröße: 768x576 Pixel• Anzahl der Bilder: 3 (Wellenlängen)

GOP0001OP10~

2443576768100OP#12

/2

SINCOSMULADD

Bildgröße Anzahl λ

AnzahlverschiedenerOperationen

FE

mit Pentium 4 / 3GHz (0,5 GOPS) 33 min

FE: FlächenElementOP: OPerations

GOP: GigaOPerationsGOPS: GigaOPerations per Second


Berechnungsaufwand

Mit Anzahl der FE / Kante steigt der Rechenaufwand quadratisch

Anzahl FE Simulationszeit

100 x 1001000 x 1000

10000 x 10000

für Test:minimal:

gewünscht:

0,5 h2 d

200 d


Hardware-Beschleunigung FPGAs = Field Programmable Gate ArrayQuantitativer

Leistungssprung:• 430 MioTransistoren (Pentium4 ~ 55Mio)

QualitativerLeistungssprung:• Plattform FPGAs: 440 Multiplizierer+ 4 P-Kerne + RAM

Parallelität:

Realisierung auf Addierer-Ebene


Hardware

System

Operationen / FE / PixelZeit / FE / Pixel

in ns

Bearbeitungszeit / Bild

Kosten

/Ta

use

nd

€ADD MUL COS 100x100 FE

1e3x1e3 FE

1e4x1e4 FE

Pentium

4 / 3 GH

z

MatLab4

(0,58)

4

(0,37)

2

(0,006)351 78 min 5,4 d 1,5 y

0,5

…

1

C

(FP)

4

(0,44)

4

(0,17)

2

(0,023)120 27 min 1,8 d 184 d

C

(INT)

82

(1,16)

4

(0,17)94 21 min 1,4 d 144 d

PC-Cluster

278 PCsC (INT)

82

(322)

4

(47)0,34 4,5 s 8 min 12,5 h

~ 100CPU,MB

,RAM

FPGA XC2VP100

52

(165)

4

(165)0,34 4,5 s 8 min 12,5 h 10

Rechenzeitevalution

Faktor 300…1000


Hardware

System

Zeit /ns FE / Pixel

Bearbeitungszeit / BildKosten/ Tausend

€100x100 FE 1e3x1e3 FE 1e4x1e4 FE

Pentium

4 / 3 GH

z

MatLab 351 78 min 5,4 d 1,5 y

0,5

…

1

C

(FP)120 27 min 1,8 d 184 d

C

(INT)94 21 min 1,4 d 144 d

PC-Cluster

278 PCsC (INT)

0,34 4,5 s 8 min 12,5 h~ 100

CPU,MB,RAM

FPGA XC2VP100

0,34 4,5 s 8 min 12,5 h 10

Rechenzeitevalution

Faktor 300…1000


Modelle und Bildgenerierung

PC

Übertragbarkeit des Systems

FPGA – Karte

• Einfacherer Systemaufbau im Vergleich zu PC-Clustern

• Einfache Systemreplikation:Frei zugängliches Simulationswerkzeug für die Wissenschaftzum Entwurf durch Systemsimulation von Messanordungen.

FPGA(XC2VP100)

SW

HW


MatLabPC

(3GHz,P4)

FPGA

Virtex 2

FPGA

Virtex 4

Speed[GMACS] 0,21 0,26 30 256

Zukünftige Performance

GMACS = Giga multiply and accumulate operations per second

AngekündigtIm Testeinsatz

Hardware-System mit 10 FPGAs : 2.560 GMACS


Zusammenfassung: Interdisziplinäres Projekt

Approximationen

AlgorithmenModelleOptik,Physik

Digitale Signalverarbeitung

Messtechnik Technische Inf. / Elektrotechnik

FPGA-Plattform-Architekturen

(Beschleunigungs-Faktor 300..1000)

- Optimierte Architekturen von Co-Prozessor-Arrays- Konzepte zur Datenkommuni- kation für die hohe Bandbreiten in Mehr-Prozessorsystemen

Software

- Neue Entwurfs- Methodik für Streulicht-Messpro- zesse basierend auf Simulationen.

Ergebnisse:

Prozessor-Architekturen

Ergebnisse:- HW/SW-Plattform

zur Simulation optischer Systeme,

verfügbar für andereForschergruppen.

g. goch, s. simon1 g. goch und s. simon modellierung kohärenter streulicht- messprozesse für...

Documents