概述

在現(xiàn)代光子元件設(shè)計(jì)中，有限時(shí)域差分法（FDTD）是進(jìn)行電磁模擬分析的重要基礎(chǔ)技術(shù)。然而，隨著結(jié)構(gòu)尺寸的縮小和模擬范圍的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的CPU 計(jì)算可能需要數(shù)天甚至數(shù)周才能完成一次完整的模擬，嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)效率。為了解決這個(gè)問(wèn)題，RSoft 光子器件工具的FullWAVE FDTD模組中引入GPU 加速，通過(guò)NVIDIA GPU的平行運(yùn)算能力，使得模擬速度相比 CPU 計(jì)算大幅提升。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，GPU 加速可帶來(lái)高達(dá)91 倍的計(jì)算效能提升，使得許多過(guò)去因運(yùn)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而無(wú)法執(zhí)行的設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)在能夠在合理的時(shí)間內(nèi)完成模擬。這項(xiàng)技術(shù)特別適用于微型發(fā)光二極管（uLED）、CMOS 影像傳感器（CIS）、納米光子器件、光柵耦合器及其他復(fù)雜的電磁模擬應(yīng)用。

RSoft 的 GPU 加速技術(shù)相容于CUDA 12.3或更新版本，并且支持多顆 GPU 進(jìn)行計(jì)算，讓使用者能夠充分發(fā)揮高效能運(yùn)算資源，提升模擬效率，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。

RSoft GPU 加速的優(yōu)勢(shì)

無(wú)需額外建立模型，即可直接啟用 GPU 計(jì)算

顯著的速度提升：通過(guò) GPU平行運(yùn)算架構(gòu)，模擬速度可提升數(shù)十倍至百倍，有效縮短計(jì)算時(shí)間。

支持大規(guī)模模擬：可處理更高分辨率和更大范圍的模擬模型，使得高精度光學(xué)分析更加可行。

降低運(yùn)算瓶頸：大幅減少 CPU 的運(yùn)算負(fù)荷，提高整體系統(tǒng)效率，支持多 GPU 設(shè)置以進(jìn)一步提升性能。

系統(tǒng)需求

為了充分利用 FullWAVE FDTD 的 GPU 加速功能，系統(tǒng)需符合以下要求：

?GPU：NVIDIA GPU，架構(gòu)需為T(mén)uring 或更新版本。

?CUDA 驅(qū)動(dòng)：需安裝支持CUDA 12.3或更高版本的 NVIDIA 驅(qū)動(dòng)程序。

?多 GPU 配置：Windows 系統(tǒng)下，如使用多顆 GPU，需設(shè)置為 TCC 模式 以確保最佳性能。

應(yīng)用案例

GPU 加速的導(dǎo)入不代表必須配置昂貴的高階硬件。實(shí)際上，只要系統(tǒng)符合基本的相容條件，中階等級(jí)的 GPU 也能顯著提升模擬效率。FullWAVE FDTD 的 GPU 具備高度的彈性與拓展性，使各種不同規(guī)模與預(yù)算的使用者皆能受益。

01微型發(fā)光二極管（uLED）

在 uLED 設(shè)計(jì)中，光場(chǎng)分布、光提取效率與微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)密切相關(guān)，這些分析需要精確且高解析度的 FDTD 模擬。然而，傳統(tǒng) CPU 計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能導(dǎo)致開(kāi)發(fā)周期拖延，甚至影響設(shè)計(jì)決策。通過(guò) GPU 加速，工程師可以在短時(shí)間內(nèi)完成高精度模擬，快速評(píng)估不同設(shè)計(jì)方案的效能。

本案例顯示，即使在一般等級(jí)的工作站上，通過(guò) GPU 加速也能大幅縮短模擬時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高性?xún)r(jià)比的模擬解決方案。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，使用單個(gè)NVIDIA RTX A4000 GPU相較于僅使用Intel xeon w-2255 10核 CPU，可獲得約9倍的加速效果。

02影像傳感器（CIS）

CMOS 影像傳感器（CIS）技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能型手機(jī)、監(jiān)視器及車(chē)載攝像系統(tǒng)中，模擬其光學(xué)響應(yīng)需要大量的 FDTD 計(jì)算。在 GPU 加速的幫助下，這些計(jì)算可在更短的時(shí)間內(nèi)完成，使工程師能夠更高效地評(píng)估傳感器的光學(xué)表現(xiàn)，并進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本案例采用較高規(guī)格的運(yùn)算設(shè)備，模擬效能也隨之提升。實(shí)測(cè)顯示，使用單個(gè) NVIDIA A100 GPU相較于僅使用 Intel xeon e5-4667 24核 CPU 可達(dá)14倍加速效果，搭配 8 個(gè) GPU時(shí)整體加速效果更高達(dá) 91 倍。

關(guān)鍵字

FDTD GPU 加速、光學(xué)模擬 GPU 加速、CUDA、NVIDIA

結(jié)論

在現(xiàn)今的光子器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，模擬精度與計(jì)算時(shí)間的平衡一直是工程師面臨的挑戰(zhàn)。FullWAVE FDTD GPU 加速技術(shù)透過(guò)NVIDIA CUDA 平行計(jì)算，有效解決了 CPU 計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，使得uLED、CIS、光柵耦合器、表面電漿模態(tài)（SPP）及其他光子學(xué)應(yīng)用都能夠進(jìn)行更高解析度、更大規(guī)模的模擬計(jì)算。

此外，通過(guò)支持多顆 GPU 并行運(yùn)算，使用者能夠進(jìn)一步提升計(jì)算效率，確保在短時(shí)間內(nèi)獲得高準(zhǔn)確度的模擬結(jié)果，從而加速設(shè)計(jì)驗(yàn)證，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。這項(xiàng)技術(shù)的導(dǎo)入不僅提升了 FDTD 模擬的可行性，也為光學(xué)與光子學(xué)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)更高效的計(jì)算解決方案。

新征程，共未來(lái)

未來(lái)，我們將以“軟件+硬件+服務(wù)”整合能力，賦能汽車(chē)、通信、AR/VR、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域客戶(hù)突破技術(shù)瓶頸，共同探索光學(xué)世界無(wú)限可能。