曠明順 李長生

（湖南文理學(xué)院物電學(xué)院，湖南 常德 415000）

器件仿真的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

曠明順 李長生

（湖南文理學(xué)院物電學(xué)院，湖南 常德 415000）

隨著網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)的日漸發(fā)展和成熟，逐漸演變成現(xiàn)今為大家所熟知的云計(jì)算，云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展起到重要作用。文章基于虛擬科研組織nanoHUB的虛擬計(jì)算技術(shù)進(jìn)行云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)微電子模擬軟件在云計(jì)算教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的在線實(shí)驗(yàn)，為云計(jì)算在器件虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究提供了新的解決方案。

器件仿真；在線實(shí)驗(yàn)；云計(jì)算

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聚集了海量數(shù)據(jù)資源、軟件資源、計(jì)算資源以及服務(wù)資源，但卻存在總量豐富，但資源利用率低的矛盾。網(wǎng)絡(luò)協(xié)作、充分利用閑散資源成為最初的解決方案－網(wǎng)絡(luò)計(jì)算。網(wǎng)絡(luò)計(jì)算通過整合網(wǎng)絡(luò)中的大量閑散網(wǎng)絡(luò)資源，在動(dòng)態(tài)和自治的環(huán)境中進(jìn)行協(xié)調(diào)和資源共享，解決大規(guī)模的具有挑戰(zhàn)性的問題[1]。近年來，隨著商業(yè)應(yīng)用的巨大需求，過去的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算演變成了現(xiàn)在熱門的云計(jì)算。云計(jì)算通過將各種互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算資源、儲(chǔ)存資源、數(shù)據(jù)資源、應(yīng)用資源等進(jìn)行有效的整合并實(shí)現(xiàn)多層次的虛擬化與抽象化，有效地將大規(guī)模的計(jì)算資源以可靠的服務(wù)形式提供給用戶，從而將用戶從復(fù)雜的底層硬件邏輯、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和軟件構(gòu)架中解放出來[2]。目前，谷歌、微軟、亞馬遜、IBM，阿里巴巴等知名IT企業(yè)紛紛推出云計(jì)算解決方案。同時(shí)，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界也紛紛對(duì)云計(jì)算進(jìn)行深層次的研究。

在云計(jì)算平臺(tái)上，平臺(tái)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)不同類型的業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)可不是同一的，不是已有的或者事先定義好的，而是用戶自己創(chuàng)建并定義的服務(wù)。云計(jì)算還可以構(gòu)建在不同的基礎(chǔ)平臺(tái)之上，即可以有效兼容各種不同類別的硬件和軟件基礎(chǔ)資源。能面對(duì)海量信息交互，有穩(wěn)定、高效的海量數(shù)據(jù)通信和存儲(chǔ)系統(tǒng)作為支撐，以滿足應(yīng)用和用戶規(guī)模增長的需要。支持資源動(dòng)態(tài)伸縮，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)資源的網(wǎng)絡(luò)冗余，意味著添加、修改、刪除云計(jì)算環(huán)境當(dāng)中的任一資源節(jié)點(diǎn)，亦或任一資源節(jié)點(diǎn)異常時(shí)，都不會(huì)導(dǎo)致云計(jì)算環(huán)境中的各類業(yè)務(wù)的出現(xiàn)中斷，也不會(huì)導(dǎo)致用戶數(shù)據(jù)的丟失，從而使安全和穩(wěn)定性大為提升。

本文基于nanoHUB的虛擬計(jì)算技術(shù)進(jìn)行云計(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)搭建，實(shí)現(xiàn)專業(yè)微電子計(jì)算軟件在云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的在線實(shí)驗(yàn)，學(xué)生用戶端不需要復(fù)雜繁瑣的專業(yè)軟硬件安裝和培訓(xùn)，為云計(jì)算在科研、教育領(lǐng)域的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供新的解決方案。

2 基于nanoHUB的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

nanoHUB是為支持納米技術(shù)研究而創(chuàng)建的虛擬計(jì)算中心[3-4]。它使用了各種開放源代碼組件，以實(shí)現(xiàn)比以前的遠(yuǎn)程訪問工具功能更加強(qiáng)大的工具。nanoHUB在建立時(shí)，納米技術(shù)處于起步階段，還是一項(xiàng)新興科技。nanoHUB將目標(biāo)聚焦于納米光子學(xué)、納米電子學(xué)、納米機(jī)電學(xué)和生物醫(yī)藥納米儀器上，只向研究者提供與納米研究相關(guān)的在線模擬工具。至今，nanoHUB已發(fā)展至研究、合作與教育三個(gè)領(lǐng)域，除了在線模擬工具以外，提供更多的資源（動(dòng)畫、教程、演講等），滿足人們對(duì)納米科學(xué)技術(shù)合作與教育的需求。nanoHUB已成為向研究者、教師和學(xué)生等用戶提供納米科學(xué)與技術(shù)相關(guān)資源的一站式門戶網(wǎng)站。nanoHUB的運(yùn)作模式可簡要表示如圖1：

圖1　nanoHUB運(yùn)作模式圖[3]

作為一個(gè)專注于納米科技領(lǐng)域的虛擬社區(qū)，nanoHUB成為虛擬科研組織的典型。nanoHUB既是內(nèi)容的提供者，同時(shí)也是在線實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生可以從中搜索講演、播客、動(dòng)畫或者在線課程等，可以更好地理解納米知識(shí)和納米技術(shù)?？蒲蟹矫?nanoHUB為中小機(jī)構(gòu)的研究者提供了以往無法獲得的儀器設(shè)備的使用機(jī)會(huì)，使得更多的人能夠投入納米領(lǐng)域的研究。合作方面,nanoHUB允許用戶上傳自己的工具、課程資料和研究成果等內(nèi)容與其他人進(jìn)行分享，為個(gè)人研究者提供了展示研究成果的平臺(tái)。

本文所設(shè)計(jì)的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在學(xué)院高性能計(jì)算機(jī)集群的硬件基礎(chǔ)上搭建，所有節(jié)點(diǎn)安裝debian linux操作系統(tǒng)和nanoHUB的相關(guān)軟件系統(tǒng)，平臺(tái)命名為hub106，軟硬件后臺(tái)搭建技術(shù)正是基于nanoHUB的虛擬計(jì)算平臺(tái)搭建技術(shù)[5]。

3 云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的器件在線仿真

實(shí)驗(yàn)一：單門場效應(yīng)管在線虛擬仿真。以單門場效應(yīng)管在線虛擬仿真為例，在線實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)步驟與過程如下：打開網(wǎng)頁瀏覽器，輸入物電學(xué)院仿真實(shí)驗(yàn)網(wǎng)頁地址 https:// 172.16.40.192，可看見圖2：

圖2　器件在線仿真平臺(tái)主頁面截圖

點(diǎn)擊仿真工具下面的“微電子器件仿真實(shí)驗(yàn)”，進(jìn)入用戶登錄界面，輸入用戶名和密碼后跳轉(zhuǎn)進(jìn)入仿真實(shí)驗(yàn)頁面，可在第一行空格選擇“single gate MOSFET”即單門場效應(yīng)管實(shí)驗(yàn)。左邊的各個(gè)空格可以自行設(shè)定器件參數(shù)，還可點(diǎn)擊環(huán)境設(shè)置溫度等。點(diǎn)擊右邊的“simulate”，在線計(jì)算和模擬筆者設(shè)定的單門場效應(yīng)管各項(xiàng)電學(xué)參數(shù)和特征曲線，等待幾秒后可見相關(guān)計(jì)算結(jié)果如圖3：

圖3　單門場效應(yīng)管實(shí)驗(yàn)截圖

如需下載筆者模擬的相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)果圖片，可下載原始數(shù)據(jù)文件或保存結(jié)果為jpg圖像等。該場效應(yīng)管器件在線仿真可幫助學(xué)生更好的理解與掌握場效應(yīng)管的基本理論知識(shí)。

實(shí)驗(yàn)二：雙門場效應(yīng)管在線虛擬仿真。實(shí)驗(yàn)步驟同實(shí)驗(yàn)一，在仿真模型中選擇“double gate MOSFET”雙門場效應(yīng)管。實(shí)驗(yàn)截圖見圖4：

圖4　雙門場效應(yīng)管電學(xué)實(shí)驗(yàn)截圖

實(shí)驗(yàn)三：碳納米管效應(yīng)管在線虛擬仿真。實(shí)驗(yàn)步驟同前，在仿真模型中選擇“carbon nanotube MOSFET”碳納米管場效應(yīng)管。實(shí)驗(yàn)截圖見圖5：

圖5　碳納米管場效應(yīng)管實(shí)驗(yàn)截圖

通過教師指導(dǎo)學(xué)生建立簡單的場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)模型，并設(shè)置氧化層厚度、摻雜濃度等，點(diǎn)擊計(jì)算模擬器件各種電學(xué)參數(shù)和特征曲線。使學(xué)生不用安裝專業(yè)計(jì)算軟件，僅通過網(wǎng)絡(luò)計(jì)算平臺(tái)即獲得對(duì)于以上概念的直觀認(rèn)識(shí)，又可加深對(duì)場效應(yīng)管與器件各關(guān)鍵電學(xué)參數(shù)動(dòng)態(tài)關(guān)系的理解。

4 結(jié)論

基于nanoHUB搭建的云計(jì)算實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，成功實(shí)現(xiàn)了學(xué)生在任意網(wǎng)頁端口進(jìn)行場效應(yīng)管等器件在線實(shí)驗(yàn)，電學(xué)參數(shù)和特征曲線的計(jì)算與模擬，與相應(yīng)的氧化層厚度、摻雜濃度等參數(shù)下的實(shí)際數(shù)據(jù)相吻合。該平臺(tái)不僅可以實(shí)現(xiàn)微電子器件在線實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可以在平臺(tái)安裝多種教學(xué)和科研計(jì)算軟件，進(jìn)行課程學(xué)習(xí)、資源共享、社交論壇等功能擴(kuò)展，將平臺(tái)發(fā)展成為一個(gè)集科研、教育、社交為一體的多功能云計(jì)算實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

[1] 王鵬.走進(jìn)云計(jì)算[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[2] 吳吉義,平玲娣,潘雪增,等.云計(jì)算:從概念到平臺(tái)[J].電信科學(xué),2009(12):23-24.

[3] 鄭忠偉,李文,孔寒冰.虛擬科研組織:理工科大學(xué)的一種選擇[J].高等工程教育研究,2010(2):17.

[4] Windham C.The nanoHUB:Community and Collaboration[J]. Educause Review,2007,42(6):144-145.

[5] Madhavan,Krishna,Lynn Zentner,Victoria Farnsworth.nanoHUB. org:cloud-based services for nanoscale modeling,simulation, and education[J].Nanotechnology Reviews,2.1(2013):107-117.

Implementation of device simulation on cloud computing experimental platform

With the increasing development of network technology, network computing gradually evolves into today's well-known cloud computing. It also plays an important role on the rapid development of virtual network computing experiments. Based on the technology of the famous virtual computing center nanoHUB, we built the cloud computing platform to perform online microelectronics series of experiments. This study provides new solutions for cloud computing in scientific research and education.

Device simulation; online experiment; cloud computing

TP3;G434

A

1008-1151(2016)09-0018-02

2016-08-11

湖南文理學(xué)院省級(jí)光電信息技術(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心平臺(tái)項(xiàng)目。

曠明順，男，湖南文理學(xué)院學(xué)生；李長生（1982－），男，湖南文理學(xué)院副教授，研究方向?yàn)槲⒓{米尺度器件電子輸運(yùn)及模擬。