High-Performance Computing for the Electromagnetic Modeling and Simulation of Interconnects

The electromagnetic modeling of packages and interconnects plays a very important role in the design of high-speed digital circuits, and is most efficiently performed by using computer-aided design algorithms. In recent years, packaging has become a critical area in the design of high-speed communication systems and fast computers, and the importance of the software support for their development has increased accordingly. Throughout this project, our efforts have focused on the development of modeling and simulation techniques and algorithms that permit the fast computation of the electrical parameters of interconnects and the efficient simulation of their electrical performance

Full-wave analysis of large conductor systems over substrate

Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2006.Includes bibliographical references (leaves 137-145).Designers of high-performance integrated circuits are paying ever-increasing attention to minimizing problems associated with interconnects such as noise, signal delay, crosstalk, etc., many of which are caused by the presence of a conductive substrate. The severity of these problems increases as integrated circuit clock frequencies rise into the multiple gigahertz range. In this thesis, a simulation tool is presented for the extraction of full-wave interconnect impedances in the presence of a conducting substrate. The substrate effects are accounted for through the use of full-wave layered Green's functions in a mixed-potential integral equation (MPIE) formulation. Particularly, the choice of implementation for the layered Green's function kernels motivates the development of accelerated techniques for both their 3D volume and 2D surface integrations, where each integration type can be reduced to a sum of D line integrals. In addition, a set of high-order, frequency-independent basis functions is developed with the ability to parameterize the frequency-dependent nature of the solution space, hence reducing the number of unknowns required to capture the interconnects' frequency-variant behavior.(cont.) Moreover, a pre-corrected FFT acceleration technique, conventional for the treatment of scalar Green's function kernels, is extended in the solver to accommodate the dyadic Green's function kernels encountered in the substrate modeling problem. Overall, the integral-equation solver, combined with its numerous acceleration techniques, serves as a viable solution to full-wave substrate impedance extractions of large and complex interconnect structures.by Xin Hu.Ph.D

Holographic optical interconnects in dichromated gelatin

Abstract unavailable please refer to PD

Phase-field modeling on the diffusion-driven processes in metallic conductors and lithium-ion batteries

Diffusionsgetriebene Prozesse sind wichtige Phänomene der Materialwissenschaft im Bereich der Energieumwandlung und -übertragung. Während der Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie ist die Speziesdiffusion im Allgemeinen mit der Austauschrate und folglich mit der Leistung der Umwandlungsvorrichtung verbunden. Alternativ diffundiert die Übertragung des elektrischen Feldes durch die Spezies, wenn sie durch irgendein Medium verläuft. Die Konsequenzen dieses Effekts können reguliert werden, um Oberflächen-Nanomuster abzustimmen. Andernfalls können die unkontrollierten Morphologien zu einer dauerhaften Verschlechterung der metallischen Leiter führen. Daher ist das Verständnis des materiellen Verhaltens bei Vorhandensein der treibenden Kräfte von Diffusionsspezies von wissenschaftlichem Interesse. Die vorgestellte Dissertation schlägt eine Untersuchung von jeweils einem Beispiel der Speziesdiffusion während der Energieumwandlung und -übertragung vor. Ziel der Studie ist es insbesondere, sowohl die Lithiumeinfügung von Lithium-Ionen-Batterien in die Kathodenelektrode als auch die morphologische Entwicklung von Einschlüssen zu untersuchen, während sie sich unter der Elektromigration in den metallischen Leitern ausbreiten. Lithium-Manganoxid-Spinell, ein Kathodenelektrodenmaterial von Lithium-Ionen-Batterien, zeigt während des Einfügens eine Koexistenz von Li-reichen und Li-armen Phasen. Für ein besseres Verständnis des Mechanismus einer zweiphasigen Koexistenz wird ein mathematisches Modell der Phasentrennung abgeleitet, das auf der Cahn-Hilliard-Gleichung basiert. Zunächst wird die geometrische Formpolydispersität eines isolierten Partikels betrachtet, um den mesoskopischen Effekt der Oberflächenkrümmung zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass der Beginn der Phasentrennung bevorzugt in Bereichen auftritt, in denen das Partikel eine starke Krümmung aufweist. Weiterhin wird das elliptische Teilchen mit einem höheren Querschnittsverhältnis dem Einsetzen der Phasentrennung vor den Teilchen mit einem niedrigeren Querschnittsverhältnis ausgesetzt. Abschlißend wird der Einfluss der Variation der Parameter auf die Ladungsdynamik diskutiert. Die Studie wird weiter auf mehrere Partikelsysteme ausgedehnt, um den Einfluss verschiedener mikrostruktureller Deskriptoren wie Partikelgröße, Porosität und Tortuosität auf den Transportmechanismus zu verstehen. Bei Tortuosität wird eine lineare Abhängigkeit der Transportrate beobachtet. Die Steigung dieser linearen Beziehung ist unabhängig von der Partikelgröße, zeigt jedoch eine gewisse Abhängigkeit von der Porosität. Darüber hinaus legen die vorgestellten Ergebnisse nahe, dass Systeme, die aus kleineren Partikeln bestehen, der durch Oberflächenreaktionen begrenzten Theorie genau folgen, während größere Partikel zu der durch Massentransporte begrenzten Theorie tendieren, die für planare Elektroden abgeleitet wurde. Um die hierarchisch strukturierten Elektroden zu identifizieren, könnten die vorgestellten Simulationsergebnisse verwendet werden, um den experimentellen Aufwand zu optimieren. Die durch Elektromigration induzierte morphologische Entwicklung von Einschlüssen (Hohlräume, Ausfällungen und Inseln) wurde kürzlich im Hinblick auf die effiziente Auslegung der Verbindungen und Oberflächen-Nanomuster untersucht. Um die morphologischen Entwicklungen zu verstehen, wird ein Phasenfeldmodell abgeleitet, um Einschlüsse zu berücksichtigen, die unter dem externen elektrischen Feld wandern. Die Erkenntnisse aus den numerischen Ergebnissen zu isotropen Einschlüssen bestätigen zunächst die Ergebnisse der linearen Stabilitätsanalyse. Zusätzlich können die numerischen Ergebnisse den Übergang eines kreisförmigen Einschlusses zu einem fingerartigen Schlitz elegant erläutern. Die nachfolgende Drift des Schlitzes ist durch eine Forminvarianz zusammen mit einer stationären Schlitzbreite und -geschwindigkeit gekennzeichnet, die mit dem angelegten elektrischen Feld jeweils als $E_{\infty}^{-1/2}$ und $E_{\infty}^{3/2}$ skaliert werden. Die Ergebnisse aus Phasenfeldsimulationen werden kritisch mit der Lösung mit scharfen Grenzflächen verglichen. Die Auswirkungen der Studie auf die Vorhersage einer Hohlraumwanderung in Flip-Chip-Sn-Ag-Cu-Lötperlen und die Herstellung von Kanälen mit gewünschten Mikro- / Nanodimensionen werden diskutiert. Die Studie wird weiter auf anisotrope Einschlüsse ausgedehnt, die in $\{110\}$, $\{100\}$ und $\{111\}$ kristallografischen Ebenen von flächenzentrierten kubischen Kristallen wandern. Basierend auf numerischen Ergebnissen werden morphologische Karten in der Ebene des Fehlorientierungswinkels und des Leitfähigkeitskontrasts zwischen dem Einschluss und der Matrix erstellt. Die Simulationen sagen eine Vielzahl von Morphologien voraus, darunter stationäre und zeitperiodische Morphologien sowie Zick-Zack-Oszillationen und eine Einschlussauflösung. Darüber hinaus wird beobachtet, dass der Einfluss der Variation des Leitfähigkeitskontrasts und der Fehlorientierung Einfluss auf die morphologische Entwicklung der zeitperiodischen Schwingungen, der stationären Formen und der Art und Weise hat, wie Einschlüsse auseinander brechen. Schließlich werden die numerischen Ergebnisse der stationären Dynamik, die für anisotrope Einschlüsse erzielt wurden, kritisch mit isotropen analytischen und numerischen Ergebnissen verglichen. Die vorgestellte Dissertation zeigt, dass die Phasenfeldmethoden die wesentliche Physik der oben diskutierten diffusionsgetriebenen Phänomene elegant erfassen können

Microfluidics and Nanofluidics Handbook

The Microfluidics and Nanofluidics Handbook: Two-Volume Set comprehensively captures the cross-disciplinary breadth of the fields of micro- and nanofluidics, which encompass the biological sciences, chemistry, physics and engineering applications. To fill the knowledge gap between engineering and the basic sciences, the editors pulled together key individuals, well known in their respective areas, to author chapters that help graduate students, scientists, and practicing engineers understand the overall area of microfluidics and nanofluidics. Topics covered include Finite Volume Method for Numerical Simulation Lattice Boltzmann Method and Its Applications in Microfluidics Microparticle and Nanoparticle Manipulation Methane Solubility Enhancement in Water Confined to Nanoscale Pores Volume Two: Fabrication, Implementation, and Applications focuses on topics related to experimental and numerical methods. It also covers fabrication and applications in a variety of areas, from aerospace to biological systems. Reflecting the inherent nature of microfluidics and nanofluidics, the book includes as much interdisciplinary knowledge as possible. It provides the fundamental science background for newcomers and advanced techniques and concepts for experienced researchers and professionals

Multiple Volume Scattering in Random Media and Periodic Structures with Applications in Microwave Remote Sensing and Wave Functional Materials

The objective of my research is two-fold: to study wave scattering phenomena in dense volumetric random media and in periodic wave functional materials. For the first part, the goal is to use the microwave remote sensing technique to monitor water resources and global climate change. Towards this goal, I study the microwave scattering behavior of snow and ice sheet. For snowpack scattering, I have extended the traditional dense media radiative transfer (DMRT) approach to include cyclical corrections that give rise to backscattering enhancements, enabling the theory to model combined active and passive observations of snowpack using the same set of physical parameters. Besides DMRT, a fully coherent approach is also developed by solving Maxwell’s equations directly over the entire snowpack including a bottom half space. This revolutionary new approach produces consistent scattering and emission results, and demonstrates backscattering enhancements and coherent layer effects. The birefringence in anisotropic snow layers is also analyzed by numerically solving Maxwell’s equation directly. The effects of rapid density fluctuations in polar ice sheet emission in the 0.5~2.0 GHz spectrum are examined using both fully coherent and partially coherent layered media emission theories that agree with each other and distinct from incoherent approaches. For the second part, the goal is to develop integral equation based methods to solve wave scattering in periodic structures such as photonic crystals and metamaterials that can be used for broadband simulations. Set upon the concept of modal expansion of the periodic Green’s function, we have developed the method of broadband Green’s function with low wavenumber extraction (BBGFL), where a low wavenumber component is extracted and results a non-singular and fast-converging remaining part with simple wavenumber dependence. We’ve applied the technique to simulate band diagrams and modal solutions of periodic structures, and to construct broadband Green’s functions including periodic scatterers.PHDElectrical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/135885/1/srtan_1.pd

VLSI Design

This book provides some recent advances in design nanometer VLSI chips. The selected topics try to present some open problems and challenges with important topics ranging from design tools, new post-silicon devices, GPU-based parallel computing, emerging 3D integration, and antenna design. The book consists of two parts, with chapters such as: VLSI design for multi-sensor smart systems on a chip, Three-dimensional integrated circuits design for thousand-core processors, Parallel symbolic analysis of large analog circuits on GPU platforms, Algorithms for CAD tools VLSI design, A multilevel memetic algorithm for large SAT-encoded problems, etc

The Unified-FFT Method for Fast Solution of Integral Equations as Applied to Shielded-Domain Electromagnetics

Electromagnetic (EM) solvers are widely used within computer-aided design (CAD) to improve and ensure success of circuit designs. Unfortunately, due to the complexity of Maxwell\u27s equations, they are often computationally expensive. While considerable progress has been made in the realm of speed-enhanced EM solvers, these fast solvers generally achieve their results through methods that introduce additional error components by way of geometric approximations, sparse-matrix approximations, multilevel decomposition of interactions, and more. This work introduces the new method, Unified-FFT (UFFT). A derivative of method of moments, UFFT scales as O(N log N), and achieves fast analysis by the unique combination of FFT-enhanced matrix fill operations (MFO) with FFT-enhanced matrix solve operations (MSO). In this work, two versions of UFFT are developed, UFFT-Precorrected (UFFT-P) and UFFT-Grid Totalizing (UFFT-GT). UFFT-P uses precorrected FFT for MSO and allows the use of basis functions that do not conform to a regular grid. UFFT-GT uses conjugate gradient FFT for MSO and features the capability of reducing the error of the solution down to machine precision. The main contribution of UFFT-P is a fast solver, which utilizes FFT for both MFO and MSO. It is demonstrated in this work to not only provide simulation results for large problems considerably faster than state of the art commercial tools, but also to be capable of simulating geometries which are too complex for conventional simulation. In UFFT-P these benefits come at the expense of a minor penalty to accuracy. UFFT-GT contains further contributions as it demonstrates that such a fast solver can be accurate to numerical precision as compared to a full, direct analysis. It is shown to provide even more algorithmic efficiency and faster performance than UFFT-P. UFFT-GT makes an additional contribution in that it is developed not only for planar geometries, but also for the case of multilayered dielectrics and metallization. This functionality is particularly useful for multi-layered printed circuit boards (PCBs) and integrated circuits (ICs). Finally, UFFT-GT contributes a 3D planar solver, which allows for current to be discretized in the z-direction. This allows for similar fast and accurate simulation with the inclusion of some 3D features, such as vias connecting metallization planes