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G. Goch, S. Simon1 G. Goch und S. Simon Modellierung kohärenter Streulicht- Messprozesse für deterministische Nanostrukturen und stochastische Oberflächendefekte.

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1 G. Goch, S. Simon1 G. Goch und S. Simon Modellierung kohärenter Streulicht- Messprozesse für deterministische Nanostrukturen und stochastische Oberflächendefekte Hochschule Bremen Fachgebiet Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik

2 G. Goch, S. Simon2 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

3 G. Goch, S. Simon3 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

4 G. Goch, S. Simon4 Polychromatisches Streulichtmess-Verfahren für Rauheitsmessungen Polychromatische Lichtquelle (Laser / LED) Raue Oberfläche Linse Strahlteiler f Rauheitsabhängige Speckle-Elongation Speckle-Muster CCD- Kamera Chip

5 G. Goch, S. Simon5 Computer-Simulation von Streulichtmessprozessen Computer- Simulationen Mess- Objekte, ( Messaufbau) Wochen, Monate Stunden!, Tage Simula- tionen Neue Auswerte verfahren Neue Oberflächentypen: Strukturen u. Mikrotopographien: Polychromatische Lichtquelle (Laser / LED) Raue Oberfläche Linse Strahlteiler f Speckle-Muster CCD- Kamera Chip

6 G. Goch, S. Simon6 Entwurfsmethodik für Streulicht-Messprozesse Experiment (Messtechnik) Theorie (Optik, Signal- verar beitung) DFG-Projekt Computer- Simulationen

7 G. Goch, S. Simon7 Filterung Skalierung Simulationsmodell - Oberflächenmodell Oberflächenmodell (Höhe in nm) Zufallswerte (normalverteilt) x- Position y- Position 0 5 x- Position y- Position

8 G. Goch, S. Simon8 Simulationsmodell - Streufeldmodell Beleuchtung 1 0 Amplitudenverteilung S 0 (x,y) a, b: Durchmesser des Leuchtflecks

9 G. Goch, S. Simon9 Simulationsmodell - Streufeldmodell Optische Achse Specklebild φ γ Gangunterschied der Teilwellen:

10 G. Goch, S. Simon10 Simulationsmodell - Streufeldmodell Optische Achse Specklebild φ γ Phasendifferenz der Teilwellen:

11 G. Goch, S. Simon11 Simulationsmodell - Streufeldmodell Optische Achse Specklebild φ γ Elektisches Feld in einem Pixel: nx,ny: Anzahl FE

12 G. Goch, S. Simon12 Simulationsmodell - Streufeldmodell Optische Achse Specklebild φ γ Bestrahlungstärke in einem Pixel:

13 G. Goch, S. Simon13 Berechnungsaufwand Berechnungsaufwand für: Flächenelemente: 100x100 FE Bildgröße: 768x576 Pixel Anzahl der Bilder: 3 (Wellenlängen) Bildgröße Anzahl λ Anzahl verschiedener Operationen FE mit Pentium 4 / 3GHz (0,5 GOPS) 33 min FE: FlächenElement OP: OPerations GOP: GigaOPerations GOPS: GigaOPerations per Second

14 G. Goch, S. Simon14 Berechnungsaufwand Mit Anzahl der FE / Kante steigt der Rechenaufwand quadratisch Anzahl FE Simulationszeit 100 x x x für Test: minimal: gewünscht: 0,5 h 2 d 200 d

15 G. Goch, S. Simon15 Hardware-Beschleunigung FPGAs = Field Programmable Gate Array Quantitativer Leistungssprung: 430 MioTransistoren (Pentium4 ~ 55Mio) Qualitativer Leistungssprung: Plattform FPGAs: 440 Multiplizierer+ 4 P-Kerne + RAM Parallelität: Realisierung auf Addierer-Ebene

16 G. Goch, S. Simon16 Hardware System Operationen / FE / Pixel Zeit / FE / Pixel in ns Bearbeitungszeit / Bild Kosten /Tausend ADDMULCOS 100x100 FE 1e3x1e3 FE 1e4x1e4 FE Pentium4 / 3 GHz MatLab 4 (0,58) 4 (0,37) 2 (0,006) min5,4 d1,5 y 0,5 … 1 C (FP) 4 (0,44) 4 (0,17) 2 (0,023) min1,8 d184 d C (INT) 82 (1,16) 4 (0,17) min1,4 d144 d PC- Cluster 278 PCs C (INT) 82 (322) 4 (47) 0,34 4,5 s8 min12,5 h ~ 100 CPU,MB,RAM FPGA XC2VP (165) 4 (165) 0,34 4,5 s8 min12,5 h10 Rechenzeitevalution Faktor 300…1000

17 G. Goch, S. Simon17 Hardware System Zeit /ns FE / Pixel Bearbeitungszeit / Bild Kosten/ Tausend 100x100 FE1e3x1e3 FE1e4x1e4 FE Pentium4 / 3 GHz MatLab min5,4 d1,5 y 0,5 … 1 C (FP) min1,8 d184 d C (INT) min1,4 d144 d PC-Cluster 278 PCs C (INT) 0,34 4,5 s8 min12,5 h ~ 100 CPU,MB,RAM FPGA XC2VP100 0,34 4,5 s8 min12,5 h 10 Rechenzeitevalution Faktor 300…1000

18 G. Goch, S. Simon18 Modelle und Bildgenerierung PC Übertragbarkeit des Systems FPGA – Karte Einfacherer Systemaufbau im Vergleich zu PC-Clustern Einfache Systemreplikation: Frei zugängliches Simulationswerkzeug für die Wissenschaft zum Entwurf durch Systemsimulation von Messanordungen. FPGA (XC2VP100) SW HW

19 G. Goch, S. Simon19 MatLab PC (3GHz,P4) FPGA Virtex 2 FPGA Virtex 4 Speed [GMACS] 0,210, Zukünftige Performance GMACS = Giga multiply and accumulate operations per second Angekündigt Im Testeinsatz Hardware-System mit 10 FPGAs : GMACS

20 G. Goch, S. Simon20 Zusammenfassung: Interdisziplinäres Projekt Approximationen Algorithmen Modelle Optik, Physik Digitale Signalverarbeitung Messtechnik Technische Inf. / Elektrotechnik FPGA-Plattform- Architekturen (Beschleunigungs- Faktor ) - 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 andere Forschergruppen.


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