An Algorithmic Framework for Efficient Large-Scale Circuit Simulation Using Exponential Integrators

We propose an efficient algorithmic framework for time domain circuit simulation using exponential integrator. This work addresses several critical issues exposed by previous matrix exponential based circuit simulation research, and makes it capable of simulating stiff nonlinear circuit system at a large scale. In this framework, the system's nonlinearity is treated with exponential Rosenbrock-Euler formulation. The matrix exponential and vector product is computed using invert Krylov subspace method. Our proposed method has several distinguished advantages over conventional formulations (e.g., the well-known backward Euler with Newton-Raphson method). The matrix factorization is performed only for the conductance/resistance matrix G, without being performed for the combinations of the capacitance/inductance matrix C and matrix G, which are used in traditional implicit formulations. Furthermore, due to the explicit nature of our formulation, we do not need to repeat LU decompositions when adjusting the length of time steps for error controls. Our algorithm is better suited to solving tightly coupled post-layout circuits in the pursuit for full-chip simulation. Our experimental results validate the advantages of our framework.Comment: 6 pages; ACM/IEEE DAC 201

Time-domain analysis of large-scale circuits by matrix exponential method with adaptive control

We propose an explicit numerical integration method based on matrix exponential operator for transient analysis of large-scale circuits. Solving the differential equation analytically, the limiting factor of maximum time step changes largely from the stability and Taylor truncation error to the error in computing the matrix exponential operator. We utilize Krylov subspace projection to reduce the computation complexity of matrix exponential operator. We also devise a prediction-correction scheme tailored for the matrix exponential approach to dynamically adjust the step size and the order of Krylov subspace approximation. Numerical experiments show the advantages of the proposed method compared with the implicit trapezoidal method. © 1982-2012 IEEE.published_or_final_versio

SCEE 2008 book of abstracts : the 7th International Conference on Scientific Computing in Electrical Engineering (SCEE 2008), September 28 – October 3, 2008, Helsinki University of Technology, Espoo, Finland

This report contains abstracts of presentations given at the SCEE 2008 conference.reviewe

Modeling and Simulation in Engineering

The general aim of this book is to present selected chapters of the following types: chapters with more focus on modeling with some necessary simulation details and chapters with less focus on modeling but with more simulation details. This book contains eleven chapters divided into two sections: Modeling in Continuum Mechanics and Modeling in Electronics and Engineering. We hope our book entitled "Modeling and Simulation in Engineering - Selected Problems" will serve as a useful reference to students, scientists, and engineers

Strain-Engineered MOSFETs

This book brings together new developments in the area of strain-engineered MOSFETs using high-mibility substrates such as SIGe, strained-Si, germanium-on-insulator and III-V semiconductors into a single text which will cover the materials aspects, principles, and design of advanced devices, their fabrication and applications. The book presents a full TCAD methodology for strain-engineering in Si CMOS technology involving data flow from process simulation to systematic process variability simulation and generation of SPICE process compact models for manufacturing for yield optimization

Personalized Electromechanical Modeling of the Human Heart : Challenges and Opportunities for the Simulation of Pathophysiological Scenarios

Mathematische Modelle des menschlichen Herzens entwickeln sich zu einem Eckpfeiler der personalisierten Medizin. Sie sind ein nützliches Instrument und helfen klinischen Entscheidungsträgern die zugrundeliegenden Mechanismen von Herzkrankheiten zu erforschen und zu verstehen. Aufgrund der Komplexität des Herzens benötigen derartige Modelle allerdings eine detaillierte Beschreibung der physikalischen Prozesse, welche auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen miteinander interagieren. Aus mathematischer Perspektive stellen vor allem die Entwicklung robuster numerischer Methoden für die Lösung des Modells in Raum und Zeit sowie die Identifizierung von Parametern aus patientenspezifischen Messungen eine Herausforderung dar. In dieser Arbeit wird ein detailliertes mathematisches Modell vorgestellt, welches ein vollgekoppeltes Multiskalenmodell des menschlichen Herzens beschreibt. Das Modell beinhaltet unter anderem die Ausbreitung des elektrischen Signals und die mechanische Verformung des Herzmuskels sowie eine Beschreibung des Herz-Kreislauf-Systems. Basierend auf dem neusten Stand der Technik wurden Modelle der Membrankinetik sowie der Entwicklung der aktiven Kraft zu einem einheitlichen Modell einer Herzmuskelzelle zusammengeführt. Dieses beschreibt die elektromechanische Kopplung in Herzmuskelzellen der Vorhöfe und der Herzkammern basierend auf der Physiologie im Menschen und wurde mit Hilfe von experimentellen Daten aus einzelnen Zellen neu parametrisiert. Um das elektromechanisch gekoppelte Modell des menschlichen Herzens lösen zu können, wurde ein gestaffeltes Lösungsverfahren entwickelt, welches auf bereits existierenden Softwarelösungen der Elektrophysiologie und Mechanik aufbaut. Das neue Modell wurde verwendet, um den Einfluss elektromechanischer Rückkopplungseffekte auf das Herz im Sinusrhythmus zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass elektromechanische Rückkopplungseffekte auf zellulärer Ebene einen wesentlichen Einfluss auf das mechanische Verhalten des Herzens haben. Dahingegen hatte die Verformung des Herzens nur einen geringen Einfluss auf den Diffusionskoeffizienten des elektrischen Signals. Um die verschiedenen Komponenten der Simulationssoftware zu verifizieren, wurden spezielle Probleme definiert, welche die wichtigsten Aspekte der Elektrophysiologie und der Mechanik abdecken. Zusätzlich wurden diese Probleme dazu verwendet, den Einfluss von räumlicher und zeitlicher Diskretisierung auf die numerische Lösung zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass Raum- und Zeitdiskretisierung vor allem für das elektrophysiologische Problem die limitierenden Faktoren sind, während die Mechanik hauptsächlich anfällig für volumenversteifende Effekte ist. Weiterhin wurde das Modell verwendet, um zu untersuchen, wie sich eine Verteilung der Faserspannung auf den gesamten Herzmuskel auf die Funktion der linken Herzkammer auswirkt. Hierzu wurde zusätzlich eine Spannung in die Normalenrichtungen der Fasern einer idealisierten linken Herzkammer angewandt. Es zeigte sich, dass insbesondere eine Spannung senkrecht zu den Faserschichten zu einer physiologischeren Kontraktion der Kammer führte. Allerdings konnten diese Ergebnisse auf einem ganzen Herzen nicht vollständig bestätigt werden. In einem zweiten Projekt wurde mit Hilfe eines Modells der linken Herzkammer untersucht, wie sich das Rotationsmuster der Kammer unter Modifikation der lokalen elektromechanischen Eigenschaften verändert. Hierzu wurden in vivo Daten elektromechanischer Parameter von 30 Patienten mit Herzversagen und Linksschenkelblock in das Modell integriert, simuliert und ausgewertet. Die Ergebnisse konnten die klinisch aufgestellte Hypothese nicht bestätigen und es zeigte sich keine Korrelation zwischen den elektromechanischen Parametern und dem Rotationsverhalten. Die Auswirkungen von standardisierten Ablationsstrategien zur Behandlung von Vorhofflimmern in Bezug auf die kardiovaskuläre Leistung wurde in einem Modell des ganzen Herzens untersucht. Aufgrund der Narben im linken Vorhof wurde die elektrische Aktivierung und die Steifigkeit des Herzmuskels verändert. Dies führte zu einem reduzierten Auswurfvolumen, welches in direktem Zusammenhang mit dem inaktiven Gewebe steht. Abhängig von der Steifigkeit der Narben hat sich zusätzlich der Druck im linken Vorhof erhöht. Die linke Herzkammer war nur wenig beeinflusst. Zu guter Letzt wurden schrittweise pathologische Mechanismen in das Herzmodell integriert, welche in Zusammenhang mit Herzversagen stehen und in Patienten mit dilatativer Kardiomyopathie zu beobachten sind. Die Simulationen zeigten, dass vor allem zelluläre Veränderungen bezüglich der elektrophysiologischen Eigenschaften für die schlechte mechanische Aktivtät des Herzens verantwortlich sind. Weiterhin zeigte sich, dass strukturelle Veränderungen der Anatomie und die erhöhte Steifigkeit des Herzmuskels und die damit einhergehenden Anpassungen des Herz-Kreislauf-Systems nötig sind, um in vivo Messungen zu reproduzieren. In dieser Arbeit wurde eine Simulationsumgebung vorgestellt, welche die Berechnung der elektromechanischen Aktivität des Herzens und des Herz-Kreislauf-Systems ermöglicht. Die Simulationsumgebung wurde mit Hilfe von einfachen Beispielen verifiziert und unter Einbeziehung von Daten aus der Magnetresonanztomographie validiert. Zu guter Letzt wurde die Simulationsumgebung genutzt, um klinische Fragen zu beantworten, welche andernfalls im Dunkeln blieben

Modeling and optimization of Tunnel-FET architectures exploiting carrier gas dimensionality

The semiconductor industry, governed by the Moore's law, has achieved the almost unbelievable feat of exponentially increasing performance while lowering the costs for years. The main enabler for this achievement has been the scaling of the CMOS transistor that allowed the manufacturers to pack more and more functionality into the same chip area. However, it is now widely agreed that the happy days of scaling are well over and we are about to reach the physical limits of the CMOS concept. One major, insurmountable limit of CMOS is the so-called thermionic emission limit which dictates that the switching slope of the transistor cannot go below 60mV/dec at room temperature. This makes it impossible to scale down the supply voltage for CMOS transistor without dramatically increasing the static power consumption. To address this issue, a novel transistor concept called Tunnel FET (TFET) which utilizes the quantum mechanical band-to-band tunneling (BTBT) has been proposed. TFETs possess the potential to overcome the thermionic emission limit and therefore allow for low supply voltage operation. This thesis aims at investigating the performance of TFETs with alternative architectures exploiting quantized carrier gases through quantum mechanical simulations. To this end, 1D and 2D self-consistent Schrödinger-Poisson solvers with closed boundaries are developed along with the phonon-assisted and direct BTBT models implemented as a post-processing step. Moreover, we propose an efficient method to incorporate the quantization along the transverse direction which enables us to simulate different dimensionality combinations. The implemented models are calibrated against experimental and more fundamental quantum mechanical simulation methods such as k.p and tight-binding NEGF using tunneling diode structures. Using these tools, we simulate an advanced TFET architecture called electron-hole bilayer TFET (EHBTFET) which exploits BTBT between 2D electron and hole gases electrostatically induced by two separate oppositely biased gates. The subband-to-subband tunneling is first analyzed with the 1D simulator where the device working principle is demonstrated. Then, non-idealities of the EHBTFET operation such as the lateral tunneling and corner effects are investigated using the 2D simulator. The origin of the lateral leakage and techniques to reduce it are analyzed in detail. A parameter space analysis of the EHBTFET is performed by simulating a wide range of channel materials, channel thickness and oxide thicknesses. Our results indicate the possibility of having 2D-2D and 3D-3D tunneling for the EHBTFET, depending on the parameters chosen. A novel digital logic scheme utilizing the independent biasing property of the EHBTFET n- and p-gates is proposed and verified through quantum-corrected TCAD simulations. The performance benchmarking against a 28nm FD-SOI CMOS technology is performed as well. The results indicate that the EHBTFET logic can outperform the CMOS counterpart in the low supply voltage (subthreshold) regime, where it can offer significantly higher drive current due to its steep switching slope. We also compare the different dimensionality cases and highlight important differences between the face and edge tunneling devices in terms of their dependence on the device parameters (channel material, channel thickness and EOT)

Identification of flexible structures dynamics.

The pursuit of aerodynamic efficiency and the advances in materials technology, particularly in composite material, has contributed to shifting the paradigm of wing design to high aspect ratio wings. Increasing the span, for decreasing drag, and using composite lightweight materials make the new wing very flexible and prone to nonlinear dynamic behaviour. With nonlinearities, increasing challenges arise for the identification and modelling of the wing. These challenges cannot be overlooked for flexible structures as these models are critical for the prediction of aeroelastic phenomena. Hence, it is fundamental to expand the knowledge of the behaviour of these structures through the identification and modelling of sample flexible wing models. In this work, a series of methods and approaches are proposed and employed for the identification and modelling of a flexible wing. First, a system identification technique in the frequency domain, the Loewner Framework, is applied for modal parameters extraction in mechanical systems for structural health monitoring. This new technique, with a linear reduced order model, is used to characterise the flutter behaviour of a flexible wing. The results are compared to similar techniques. A thorough experimental campaign is run on a flexible wing model to characterise its nonlinear behaviour and the underlying linear system. In particular, nonlinearities are detected, identified and quantified. Then, a meta-model technique based on Kriging, the refined Efficient Global Optimisation, is proposed for finite element model updating. First, the technique is used for damage detection in benchmark structures, then, it is employed for the validation of component-based strategies for model updating of a flexible wing.Engineering and Physical Sciences (EPSRC)PhD in Aerospac

SciCADE 95: International conference on scientific computation and differential equations

This report consists of abstracts from the conference. Topics include algorithms, computer codes, and numerical solutions for differential equations. Linear and nonlinear as well as boundary-value and initial-value problems are covered. Various applications of these problems are also included