Frameworks for micro- and nanoelectronics device simulation

Abstract

Herangehensweisen für Softwaregerüste, welche die zunehmend herausfordernden Aufgaben von Mikro- und Nanoelektronischer Bauelemente-Simulation bewältigen, werden untersucht. Im Besonderen fokussieren sich die entwickelten Herangehensweisen auf die Schlüsselanforderungen, die für heutige Forschungssimulationssoftware von höchster Bedeutung sind, wie Wiederverwendbarkeit, Flexibilität, Bedienbarkeit, Wartbarkeit und Erweiterbarkeit. Forschungssoftware erfährt neue Herausforderungen primär durch die schnell voranschreitenden Entwicklungen in physikalischer Modellierung. Simulationswerkzeuge sind typischerweise einen Schritt hinter der Entstehung von zukünftigen Bauelementen, im Sinne der Vorhersage der Eigenschaften von zukünftigen Bauelementen durch heutige Werkzeuge. Forschungsmodellierungssoftwareprojekte - insbesondere im Bereich der Mikro- und Nanoelektronischen Bauelemente-Simulation - versuchen diese Herausforderungen alleine zu bewältigen, demnach opfern sie wertvolle Ressourcen für die Entwicklung von nichtmodellierungsbezogenen Aspekten, was einen signifikanten Verlust von Synergieeffekten mit sich bringt. An den Universitäten werden primär hochspezialisierte Simulationswerkzeuge, basierend auf monolithischem Softwaredesign und in einer quelltext-geschlossenen Art, implementiert, um einen Vorteil gegenüber Konkurrenten zu haben. In dieser Arbeit werden Softwareentwicklungsaspekte bezüglich der Entwicklung von Gerüsten untersucht, insbesondere liegt der Fokus auf der Verbesserung der Verfügbarkeit von öffentlich zugänglichen Simulationswerkzeugen, relevant für das Gebiet der Mikro- und Nanoelektronischen Bauelemente-Simulation. Die Vorteile von frei verfügbaren Simulationsquelltexten und der Entkopplung von Implementierungen in wiederverwendbaren Bibliotheken werden ausgearbeitet. Die entwickelten Herangehensweisen ermöglichen die Umhüllung von bereits verfügbaren Funktionalitäten in wiederverwendbare Komponenten. Im Konkreten werden ein Bauelemente-Simulationsgerüst, ein Komponentenausführungsgerüst und ein Interaktivsimulationsgerüst untersucht. Während ein Bauelemente-Simulationsgerüst die Berechnung von Bauelemente-Characteristika ermöglicht, erlaubt ein Komponentenausführungsgerüst die Ausführung einer Menge von Komponenten auf hochgradig parallelen Berechnungszielen. Interaktiv-Simulationsgerüste stellen einen Hochbedienbarkeitszugang durch modulare grafische Benutzeroberflächen bereit. Herausforderungen und Anforderungen werden behandelt wie auch konkrete Herangehensweisen in der Form von entwickelten Softwarewerkzeugen, welche frei unter quelltext-offenen Lizenzen zugänglich sind. Anwendungsbeispiele unterstreichen die Machbarkeit der aufgezeigten Herangehensweisen. Die entwickelten Gerüste dienen als moderne und langfristige Simulationsplattformen, welche Wiederverwendbarkeit, Flexibilität, Bedienbarkeit, Wartbarkeit und Erweiterbarkeit fördern; all jene Aspekte sind im Speziellen in dem sich schnell entwickelnden Bereich der Mikro- und Nanoelektronischen Bauelemente-Simulation wichtig.

Approaches for software frameworks, tackling the increasingly challenging tasks of micro- and nanoelectronics device simulations, are investigated. In particular, the developed approaches focus on the key requirements defined to be most important for today's research simulation software, those being reusability, flexibility, usability, maintainability, and expandability. Research software experiences new challenges primarily due to the fast pacing developments in physical modeling. Simulation tools are typically one step behind the evolution of future devices, in the sense that today's tools have to predict the properties of tomorrow's devices. Research modeling software projects - especially in the area of micro- and nanoelectronics device simulation - attempt to tackle these challenges on their own, thus sacrificing valuable resources for the development of non-modeling related aspects, which introduces a significant loss of synergy effects. In universities, primarily highly specialized simulation tools based on monolithic software design are implemented in a closed-source manner to uphold an advantage over competitors. In this work, software engineering aspects related to developing frameworks are investigated, particularly focusing to improve the availability of publicly accessible simulation tools relevant to the field of micro- and nanoelectronics device simulation. The advantages of freely accessible simulation source code as well as of decoupling implementations into reusable libraries are elaborated. The developed approaches enable to wrap already available functionality into reusable components. More concretely, a device simulation framework, a component execution frame work, and an interactive simulation framework is investigated. Where a device simulation framework allows to compute the device characteristics, a component execution framework enables to execute a set of components on highly parallel computing targets. Interactive simulation frameworks provide a high-usability access via modular graphical user interfaces. Challenges and requirements are highlighted as well as concrete approaches in form of developed software tools which are freely available under open source licenses. Application examples underline the feasibility of the depicted approaches. The developed frameworks serve as modern and long-term simulation platforms, favoring reusability, flexibility, usability, maintainability, and expandability; all of those aspects are particularly important in the fast developing area of micro- and nanoelectronics device simulation.