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    子空间扩展算法及其应用
    谢和虎
    2020, 41 (3): 169-191.   DOI: 10.12288/szjs.2020.3.169
    摘要295)      PDF (545KB)(314)   
    科学研究与工程实际中存在着大量的非线性偏微分方程,这使得非线性方程的求解变得越来越重要.本综述论文利用定义在粗网格上的有限元空间来重建任意有限元函数的Aubin-Nitsche技巧的误差估计.然后介绍如何利用这种对Aubin-Nitsche技巧的新视角来设计求解半线性椭圆方程和特征值问题的扩展子空间算法,同时给出相应的收敛性分析和计算量估计.特别地,当求解多项式形式的非线性方程和特征值问题的时候,扩展子空间算法的渐进计算量可以达到最优.本文的论述表明扩展子空间算法是一种用来设计求解非线性方程快速算法的框架,可以应用于更广泛的非线性方程的求解,同时也可以结合各种高效的线性解法器来提高非线性方程的求解效率.
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    高可扩展、高性能和高实用的稀疏矩阵计算研究进展与挑战
    刘伟峰
    2020, 41 (4): 259-281.   DOI: 10.12288/szjs.2020.4.259
    摘要276)      PDF (8233KB)(401)   
    稀疏矩阵算法是超级计算领域的热点和难点研究内容之一.本文从高可扩展、高性能和高实用这三个角度,对过去30年来国内外稀疏矩阵计算的部分主要研究工作进行了综述.并配合在三个GPU上十余个稀疏BLAS算法的测试数据,讨论了同时达到高可扩展、高性能和高实用这三个目标的主要难点.最后提出了未来稀疏矩阵计算领域的一系列挑战.
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    半导体器件电离辐照损伤效应模拟的数值算法及应用
    马召灿, 许竞劼, 卢本卓, 李鸿亮
    2020, 41 (2): 105-120.   DOI: 10.12288/szjs.2020.2.105
    摘要183)      PDF (1587KB)(217)   
    本文研究了半导体器件伽马辐照电离损伤效应定量物理模型系列算法,其中包括有限元空间离散、隐式时间积分以及非线性系统解耦迭代算法.算法有效地处理了电离损伤模型多组分、电-输运-反应多物理耦合以及强刚性等难点.基于三维并行有限元平台(PHG),我们完成了半导体器件电离辐照效应三维并行求解器TIDSim的研制.针对典型场效应晶体管NMOS、双极晶体管GLPNP进行了电离辐照损伤模拟,数值模拟结果与器件辐照实验数据吻合.
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    三维半导体器件漂移扩散模型的并行有限元方法研究
    王芹, 马召灿, 白石阳, 张林波, 卢本卓, 李鸿亮
    2020, 41 (2): 85-104.   DOI: 10.12288/szjs.2020.2.85
    摘要141)      PDF (1134KB)(226)   
    本文设计了一种新的三维自适应迎风稳定化有限元方法(SUPG-IP),并对比研究了几种半导体器件模拟的并行有限元方法.数值模拟结果表明:稳定化有限元方法适用于大偏压以及高掺杂器件模拟;而经典的Zlamal有限元方法更适用于计算半导体器件的电学响应曲线.我们基于三维并行自适应有限元平台PHG开发了半导体器件漂移扩散模型求解器DevSim,并对几种典型的半导体器件进行了模拟测试.计算结果与商业软件Sentaurus吻合较好,验证了算法的有效性.我们对PN结进行了超大规模网格并行模拟测试,网格达8亿单元并使用2048进程计算,展示了算法良好的并行可扩展性.
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    3Ddevice:半导体器件及其辐照损伤效应仿真软件系统
    黄成梓, 白石阳, 王芹, 马召灿, 张倩茹, 刘田田, 桂升, 卢本卓, 陈旻昕, 李鸿亮
    2020, 41 (2): 121-142.   DOI: 10.12288/szjs.2020.2.121
    摘要129)      PDF (1720KB)(211)   
    本文介绍我们开发的一款适用于半导体器件及其辐照损伤效应定量模拟的三维并行仿真应用软件平台3Ddevice.该软件由中国科学院数学与系统科学研究院和中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心联合开发,能直接解算半导体器件的电学响应性质及其氧化物层在电离辐照下带电缺陷与界面态缺陷累积动力学过程,计算器件损伤后的电学响应偏移.我们已经实现器件电离辐照总剂量效应以及低剂量率增强效应定量模拟,模拟结果与实验数据吻合良好.软件采用C/S架构,分为本地客户端与远程计算端两大子系统.客户端由总控模块、前处理模块、通信模块以及后处理模块组成.总控模块主要的功能是求解器挂载、数值模拟流程搭建与管理.前处理模块主要功能是器件几何建模以及网格生成与优化.通信模块主要功能是求解器参数初始化与硬件系统状态监控.后处理模块主要功能是数值模拟结果可视化与数据分析.计算端基于三维并行自适应有限元平台 [1](PHG)开发,目前包括半导体器件模拟器(DevSim),电离辐照损伤模拟器(TIDSim).上述求解器采用MPI通讯技术,支持大规模分布式并行,已实现十亿量级网格单元数的器件电离损伤及电学响应模拟.本文介绍的仿真软件系统是一个初级版本,将会得到持续开发更新,它的详细使用方法请参照并以软件使用说明书为准.
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    前言
    卢本卓
    2020, 41 (2): 83-84.   DOI: 10.12288/szjs.2020.2.83
    摘要126)      PDF (195KB)(251)   
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    空穴、H +在SiO 2体内输运的数值模拟研究
    李培, 贺朝会, 郭红霞, 李永宏, 张晋新
    2020, 41 (2): 151-158.   DOI: 10.12288/szjs.2020.2.151
    摘要92)      PDF (1053KB)(159)   
    半导体器件的电离辐射效应涉及到材料内部的一系列物理过程,包括空穴对的产生与复合、载流子的输运以及氧化物陷阱电荷和界面态电荷的形成与累积.空穴和H +的输运机制是理解电离辐射效应的关键环节,其中空穴的输运影响着氧化物陷阱正电荷的形成、退火以及H +的释放,从而影响界面态电荷的形成.本文建立Si/SiO 2界面的物理模型,借助TCAD数值模拟方法,分析不同剂量率辐照条件下空穴和H +在SiO 2体内的输运机制和浓度分布.
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    硅基三极管脉冲中子辐射效应TCAD仿真
    段丙皇, 熊涔, 陈泉佑, 赵洪超
    2020, 41 (2): 159-168.   DOI: 10.12288/szjs.2020.2.159
    摘要92)      PDF (781KB)(173)   
    本文针对文献报道的2N2222晶体管中子辐射实验结果,开展了硅基三极管的脉冲中子辐射效应仿真研究.首先,介绍了基于连续性假设的硅基器件脉冲中子辐射效应TCAD仿真方法:通过求解中子诱发缺陷与载流子的连续性方程,可计算脉冲中子辐射过程中缺陷的动力学演化过程,以及器件电学性能的瞬态响应;给出了仿真方法使用的物理模型、缺陷种类、缺陷之间的反应类型和反应参数等,以及在TCAD软件中的实现过程.然后,以文献中2N2222晶体管为对象,进行了中子辐射损伤模型与仿真方法的验证,结果表明辐射退火完成后2N2222基极电流和集电极电流计算结果与文献报道的实验结果一致,证明了该仿真方法的正确性.
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    电离总剂量效应对4T CMOS图像传感器暗电流影响的数值仿真
    魏莹, 文林, 李豫东, 郭旗
    2020, 41 (2): 143-150.   DOI: 10.12288/szjs.2020.2.143
    摘要90)      PDF (1098KB)(167)   
    CMOS图像传感器是空间光学成像系统中的关键电子器件,但受到空间总剂量辐射效应影响其特性发生退化,特别是暗电流显著增大.本文利用TCAD仿真工具构建了4TCMOS图像传感器像素单元的二维仿真结构,利用总剂量效应模型计算了器件氧化层中辐射诱导氧化物陷阱电荷和界面态在不同累积剂量下的分布,并计算了器件暗电流随累积剂量的变化,以及传输栅对辐照暗电流的影响.通过分析辐照前后器件内部耗尽区的变化,以及传输栅偏置电压对器件电势分布的影响,获得了器件暗电流总剂量效应损伤机制.本文中电离总剂量效应的数值仿真方法和图像传感器暗电流损伤机制的分析可为评估器件抗辐射能力和设计加固提供技术支撑和指导.
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    一种求解双曲守恒律方程的中心型WENO格式
    李辰, 郭启龙, 孙东, 刘朋欣
    2020, 41 (3): 246-258.   DOI: 10.12288/szjs.2020.3.246
    摘要83)      PDF (727KB)(148)   
    本文发展了一种中心型加权本质无振荡(WENO)格式.该格式通过在原始三阶WENO-JS格式的下风方向增加一个两点候选模板,并将文献[11]中的非线性自适应机制推广到 r=2情况,格式记为WENO4-CU.经过近似色散关系分析可以看到,WENO4-CU格式的频谱特性较原始三阶WENO-JS格式具有明显的改进.通过六个典型算例的数值测试表明,WENO4-CU格式在对流动结构的分辨上较原始WENO3-JS、WENO3-M和WENO3-Z格式具有明显提高.
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    时间分数阶四阶扩散方程的显-隐和隐-显差分格式
    刘新龙, 杨晓忠
    2020, 41 (3): 216-231.   DOI: 10.12288/szjs.2020.3.216
    摘要76)      PDF (516KB)(126)   
    时间分数阶四阶扩散方程是一类重要的发展型偏微分方程,其数值解的研究有重要的科学意义和工程实际价值.本文针对时间分数阶四阶扩散方程,研究一类显-隐(E-I)差分格式和隐-显(I-E)差分格式解法,该方法基于经典隐式和经典显式格式相结合构造而成,分析E-I和I-E两种差分格式解的存在唯一性、稳定性和收敛性.理论分析和数值试验结果证实本文E-I差分格式和I-E差分格式无条件稳定,具有空间2阶精度,时间2- α阶精度.在计算精度一致的要求下,E-I和I-E差分格式较经典隐式差分格式具有省时性,其计算时间相比古典隐格式减少约70%,研究表明本文格式求解时间分数阶四阶扩散方程是有效的.
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    带漂移的单侧正规化回火分数阶扩散方程的三阶数值格式
    邱泽山, 曹学年
    2020, 41 (3): 201-215.   DOI: 10.12288/szjs.2020.3.201
    摘要71)      PDF (339KB)(120)   
    研究带漂移的单侧正规化回火分数阶扩散方程的数值格式.基于已有的针对单侧正规化回火分数阶扩散方程的三阶拟紧算法,将该算法的思想应用于带漂移的单侧正规化回火分数阶扩散方程的数值模拟,导出数值格式.证明了数值格式的稳定性与收敛性,并通过数值试验验证了数值格式的有效性.
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    求解无限板圆孔边四不等长裂纹应力强度因子问题
    刘媛, 王桂霞, 李联和, 周建敏
    2020, 41 (3): 192-200.   DOI: 10.12288/szjs.2020.3.192
    摘要70)      PDF (602KB)(123)   
    复变函数法和有限截项法是解决孔边裂纹问题的常用方法,复变函数法是解析方法,有限截项法是半解析半数值的方法,采用这两种方法需要引入适当的保角映射函数,将问题转化为可求解的模型.本文分别用复变函数法和有限截项法求解无限远处受任意角度双向均匀拉伸应力、无限大板圆孔边四不等长裂纹的应力强度因子.结果表明,当水平裂纹对称,右裂纹长与半径的比值大于1时,有限截项法与复变函数法所得结果吻合较好;当水平裂纹不对称,右裂纹长与半径的比值大于1.5时,上述两种方法所得结果吻合较好.圆孔边四条裂纹退化为共线的两条裂纹时,复变函数法的结果与文献中已有的结果一致.
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    基于有限元方法的频率域弹性波全波形反演
    张文生, 张丽娜
    2020, 41 (4): 315-336.   DOI: 10.12288/szjs.2020.4.315
    摘要63)      PDF (2996KB)(94)   
    本文基于有限元方法,研究和发展了频率域弹性波方程的全波形反演方法.首先详细阐述了频率域弹性波方程的有限元正演方法,包括矩形单元上的有限元全离散格式、完全匹配层吸收边界条件以及有限元计算中震源的处理,并进行了正演模拟数值计算.其次,推导了矩形单元的全波形反演公式及其离散格式,也包括预条件最速下降法和正则化方法的结合应用.对均匀模型和国际标准的Overthrust复杂构造模型进行了并行全波形反演计算,反演中假定密度已知,通过反演Lamé参数来反演纵波和横波速度.反演基于频率多尺度策略,从低频至高频逐级进行,对数据含噪情况的也进行了计算,均得到了较好的反演结果.数值计算验证了文中方法、格式和算法的正确性和有效性.
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    求解双曲守恒律的紧-WENO杂交格式及RBF-FD间断检测方法
    杨洋, 曾维新, 高振, 王保山
    2020, 41 (3): 232-245.   DOI: 10.12288/szjs.2020.3.232
    摘要56)      PDF (1017KB)(140)   
    设计准确、鲁棒和高效的间断检测方法,在任意给定的网格单元和任意时间上衡量解的光滑度,是杂交格式的关键问题.本文从有限差分形式的径向基函数(RBF-FD)方法出发设计间断检测方法,为解决其阈值参数的选取问题,采用数据分析中Tukey's箱线图方法增强算法的鲁棒性,最终提出一种准确、鲁棒和高效的RBF-FD间断检测方法.数值结果分析表明,RBF-FD间断检测方法在间断捕捉的准确性、鲁棒性和效率等方面优于已有的RBF方法和单调多项式插值方法,并且与五阶WENO-Z格式相比,应用RBF-FD方法的杂交格式可以加速2倍左右.
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    前言
    张镭
    2021, 42 (1): 1-2.  
    摘要55)      PDF (204KB)(110)   
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    三类新的求解广义最小二乘问题的预处理GAOR方法
    王丽
    2020, 41 (4): 282-296.   DOI: 10.12288/szjs.2020.4.282
    摘要54)      PDF (323KB)(87)   
    本文提出了用以加速求解广义最小二乘问题的2×2块线性系统的GAOR方法的三类新的预处理子,研究了新预处理GAOR方法的比较定理.所得的比较结果表明当原GAOR方法收敛时,我们提出的新预处理GAOR迭代方法的收敛速度优于原GAOR.最后,给出的数值算例也很好的验证了新预处理方法的有效性.
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    求解正交非均衡Procrustes问题的MM方法
    钱振语, 刘新国
    2020, 41 (4): 297-305.   DOI: 10.12288/szjs.2020.4.297
    摘要49)      PDF (693KB)(96)   
    给出了求解正交非均衡Procrustes问题的MM方法并分析了收敛性.为了克服算法迭代次数多和计算结果依赖初始迭代点的困难,设计了特殊的初始点选取策略,并使用了拟牛顿加速及Nesterov加速技巧。数值结果显示,在一定情形下,提出的算法相比已有方法有优势.
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    单变量矩阵方程子矩阵约束下牛顿-MCG算法
    陈世军, 卢民荣
    2020, 41 (4): 306-314.   DOI: 10.12288/szjs.2020.4.306
    摘要48)      PDF (360KB)(103)   
    子矩阵约束问题源于实际应用中的子系统扩张问题,文中研究了子矩阵约束下二次矩阵方程对称解的迭代算法,先用牛顿算法把二次矩阵方程转化为关于校正矩阵的线性矩阵方程,再用修正共轭梯度算法(MCG算法)求解导出线性矩阵方程对称解或最小二乘解,建立了求单变量二次矩阵方程子矩阵约束下对称解牛顿-MCG算法.数值算例表明,该牛顿-MCG是有效的,能在有限步迭代得到方程的子矩阵约束解.
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    科恩-沈方程与含时科恩-沈方程的一个自适应有限元数值方法
    况阳, 申烨丹, 胡光辉
    2021, 42 (1): 33-55.   DOI: 10.12288/szjs.s2020-0708
    摘要34)      PDF (2722KB)(59)   
    在材料分析、纳米光学等研究中,高质量数值模拟多体系统电子密度的随时间演化是一类重要研究内容.演化中产生的时间依赖偶极子等物理量,是更进一步研究的基础.此类数值模拟分为两个步骤,即多体系统的基态求解、及以基态为初值的系统的动态演化模拟.这两个步骤可以分别通过数值求解科恩-沈(Kohn——Sham)方程及含时科恩-沈(time-dependent Kohn——Sham)方程实现.本文中,我们提出一类基于有限元方法的数值求解框架,为这两个步骤提供一个统一的模拟实现.在基态求解中,我们利用一类自洽场迭代对方程进行线性化,采用局部最优块预处理共轭梯度法求解导出的广义特征值问题,并设计了一个基于多重网格方法的预优对求解进行有效加速.在动态演化模拟中,针对方程的结构,我们提出了一个基于隐式中点公式的数值方法,利用预估-校正方法对方程进行线性化处理,并设计了一个针对复值线性系统的代数多重网格求解器用于加速时间推进.特别地,我们基于提出的数值方法,分别针对科恩-沈及含时科恩-沈方程导出了残量型后验误差估计子,并实现了基于局部加密的网格自适应方法,用于进一步改善数值模拟效率.数值解展示了方法的有效性.
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