基于GPU的微系統(tǒng)三維仿真.pdf

1、本文中的微系統(tǒng)是泛指尺寸比較微小、在通常狀態(tài)下用肉眼難以直接觀察的系統(tǒng)，其含義較為寬泛，除了包含傳統(tǒng)意義上的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)外，還可以包括模式生物學(xué)領(lǐng)域中細(xì)胞群體組成的微小系統(tǒng)等。由于微系統(tǒng)尺寸微小，難以觀察，對(duì)它們進(jìn)行三維仿真就具有非常重要的意義。首先，通過對(duì)微系統(tǒng)的三維仿真，給出與現(xiàn)實(shí)事物一致的三維實(shí)體，使人門能夠獲得對(duì)微小物體的直觀認(rèn)識(shí)；其次，在此基礎(chǔ)上，通過不斷修正模型來逼近真實(shí)情況的這樣一種虛擬和現(xiàn)實(shí)的交互過程，可以探索

2、事物內(nèi)在的本質(zhì)。
　　 將不同學(xué)科中微小尺寸系統(tǒng)的三維仿真問題進(jìn)行歸類研究的意義在于，他們具有尺寸微小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度高，計(jì)算量大的共同特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)仿真精度和時(shí)間的平衡是他們面臨的主要問題，通過對(duì)仿真步驟的抽象和歸納，再對(duì)比不同加速平臺(tái)與微系統(tǒng)三維仿真的適應(yīng)程度，本文提出了基于GPU的并行任務(wù)劃分方法與并行程序優(yōu)化方法來改善微系統(tǒng)三維仿真的效率。
　　 在MEMS三維工藝仿真方面，首先給出MEMS器件幾何形體描述方法，并使

3、用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)對(duì)MEMS常用工藝建模，然后針對(duì)這些模型進(jìn)行面向并行加速的工藝分類，給出各類基于GPU的并行加速方法的具體實(shí)現(xiàn)。最后，通過多分辨率版圖自動(dòng)轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)和對(duì)工藝仿真系統(tǒng)的仿真流程進(jìn)行集成和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了MEMS器件多分辨率三維工藝仿真功能。該功能與并行工藝仿真核心相結(jié)合，構(gòu)成了完整的并行MEMS三維工藝仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證了基于GPU的并行任務(wù)劃分方法與并行程序優(yōu)化方法的有效性。
　　 接下來，為了驗(yàn)證并行加速方法的適用性，本文

4、又實(shí)現(xiàn)了基于GPU的生物模式形成三維仿真程序。程序通過并行計(jì)算生物模式形成的反應(yīng)擴(kuò)散方程模型，并利用體繪制三維顯示方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)肺血管分支結(jié)構(gòu)的三維仿真。在驗(yàn)證并行加速方法有效性的基礎(chǔ)之上，將仿真結(jié)果進(jìn)一步推廣，提出了腔體結(jié)構(gòu)的肺血管生長模型，并利用基于GPU的三維仿真程序成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)該結(jié)構(gòu)模式形成過程的模擬。
　　 經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用基于GPU的并行加速方法，使MEMS三維工藝仿真速度獲得了100倍左右的提升，為實(shí)現(xiàn)高精度、基于