器件仿真的云计算实验教学平台实现

旷明顺 李长生

（湖南文理学院物电学院，湖南 常德 415000）

器件仿真的云计算实验教学平台实现

旷明顺 李长生

（湖南文理学院物电学院，湖南 常德 415000）

随着网络计算技术的日渐发展和成熟，逐渐演变成现今为大家所熟知的云计算，云计算实验平台对于虚拟实验技术的发展起到重要作用。文章基于虚拟科研组织nanoHUB的虚拟计算技术进行云计算实验平台搭建，实现了专业微电子模拟软件在云计算教学实验平台的在线实验，为云计算在器件虚拟仿真实验教学和研究提供了新的解决方案。

器件仿真；在线实验；云计算

1 引言

随着互联网技术的不断发展，计算机网络聚集了海量数据资源、软件资源、计算资源以及服务资源，但却存在总量丰富，但资源利用率低的矛盾。网络协作、充分利用闲散资源成为最初的解决方案－网络计算。网络计算通过整合网络中的大量闲散网络资源，在动态和自治的环境中进行协调和资源共享，解决大规模的具有挑战性的问题[1]。近年来，随着商业应用的巨大需求，过去的网络计算演变成了现在热门的云计算。云计算通过将各种互联网的计算资源、储存资源、数据资源、应用资源等进行有效的整合并实现多层次的虚拟化与抽象化，有效地将大规模的计算资源以可靠的服务形式提供给用户，从而将用户从复杂的底层硬件逻辑、网络协议和软件构架中解放出来[2]。目前，谷歌、微软、亚马逊、IBM，阿里巴巴等知名IT企业纷纷推出云计算解决方案。同时，国内外学术界也纷纷对云计算进行深层次的研究。

在云计算平台上，平台可以同时运行多个不同类型的业务。业务可不是同一的，不是已有的或者事先定义好的，而是用户自己创建并定义的服务。云计算还可以构建在不同的基础平台之上，即可以有效兼容各种不同类别的硬件和软件基础资源。能面对海量信息交互，有稳定、高效的海量数据通信和存储系统作为支撑，以满足应用和用户规模增长的需要。支持资源动态伸缩，实现基础资源的网络冗余，意味着添加、修改、删除云计算环境当中的任一资源节点，亦或任一资源节点异常时，都不会导致云计算环境中的各类业务的出现中断，也不会导致用户数据的丢失，从而使安全和稳定性大为提升。

本文基于nanoHUB的虚拟计算技术进行云计算实验教学平台搭建，实现专业微电子计算软件在云计算实验平台的在线实验，学生用户端不需要复杂繁琐的专业软硬件安装和培训，为云计算在科研、教育领域的虚拟仿真实验提供新的解决方案。

2 基于nanoHUB的云计算实验平台

nanoHUB是为支持纳米技术研究而创建的虚拟计算中心[3-4]。它使用了各种开放源代码组件，以实现比以前的远程访问工具功能更加强大的工具。nanoHUB在建立时，纳米技术处于起步阶段，还是一项新兴科技。nanoHUB将目标聚焦于纳米光子学、纳米电子学、纳米机电学和生物医药纳米仪器上，只向研究者提供与纳米研究相关的在线模拟工具。至今，nanoHUB已发展至研究、合作与教育三个领域，除了在线模拟工具以外，提供更多的资源（动画、教程、演讲等），满足人们对纳米科学技术合作与教育的需求。nanoHUB已成为向研究者、教师和学生等用户提供纳米科学与技术相关资源的一站式门户网站。nanoHUB的运作模式可简要表示如图1：

图1　nanoHUB运作模式图[3]

作为一个专注于纳米科技领域的虚拟社区，nanoHUB成为虚拟科研组织的典型。nanoHUB既是内容的提供者，同时也是在线实验室。学生可以从中搜索讲演、播客、动画或者在线课程等，可以更好地理解纳米知识和纳米技术。科研方面,nanoHUB为中小机构的研究者提供了以往无法获得的仪器设备的使用机会，使得更多的人能够投入纳米领域的研究。合作方面,nanoHUB允许用户上传自己的工具、课程资料和研究成果等内容与其他人进行分享，为个人研究者提供了展示研究成果的平台。

本文所设计的云计算实验平台，在学院高性能计算机集群的硬件基础上搭建，所有节点安装debian linux操作系统和nanoHUB的相关软件系统，平台命名为hub106，软硬件后台搭建技术正是基于nanoHUB的虚拟计算平台搭建技术[5]。

3 云计算实验平台的器件在线仿真

实验一：单门场效应管在线虚拟仿真。以单门场效应管在线虚拟仿真为例，在线实验的具体实验步骤与过程如下：打开网页浏览器，输入物电学院仿真实验网页地址 https:// 172.16.40.192，可看见图2：

图2　器件在线仿真平台主页面截图

点击仿真工具下面的“微电子器件仿真实验”，进入用户登录界面，输入用户名和密码后跳转进入仿真实验页面，可在第一行空格选择“single gate MOSFET”即单门场效应管实验。左边的各个空格可以自行设定器件参数，还可点击环境设置温度等。点击右边的“simulate”，在线计算和模拟笔者设定的单门场效应管各项电学参数和特征曲线，等待几秒后可见相关计算结果如图3：

图3　单门场效应管实验截图

如需下载笔者模拟的相关数据和结果图片，可下载原始数据文件或保存结果为jpg图像等。该场效应管器件在线仿真可帮助学生更好的理解与掌握场效应管的基本理论知识。

实验二：双门场效应管在线虚拟仿真。实验步骤同实验一，在仿真模型中选择“double gate MOSFET”双门场效应管。实验截图见图4：

图4　双门场效应管电学实验截图

实验三：碳纳米管效应管在线虚拟仿真。实验步骤同前，在仿真模型中选择“carbon nanotube MOSFET”碳纳米管场效应管。实验截图见图5：

图5　碳纳米管场效应管实验截图

通过教师指导学生建立简单的场效应管结构模型，并设置氧化层厚度、掺杂浓度等，点击计算模拟器件各种电学参数和特征曲线。使学生不用安装专业计算软件，仅通过网络计算平台即获得对于以上概念的直观认识，又可加深对场效应管与器件各关键电学参数动态关系的理解。

4 结论

基于nanoHUB搭建的云计算实验平台，成功实现了学生在任意网页端口进行场效应管等器件在线实验，电学参数和特征曲线的计算与模拟，与相应的氧化层厚度、掺杂浓度等参数下的实际数据相吻合。该平台不仅可以实现微电子器件在线实验，同时可以在平台安装多种教学和科研计算软件，进行课程学习、资源共享、社交论坛等功能扩展，将平台发展成为一个集科研、教育、社交为一体的多功能云计算实验教学平台。

[1] 王鹏.走进云计算[M].北京:人民邮电出版社,2009.

[2] 吴吉义,平玲娣,潘雪增,等.云计算:从概念到平台[J].电信科学,2009(12):23-24.

[3] 郑忠伟,李文,孔寒冰.虚拟科研组织:理工科大学的一种选择[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

湖南文理学院省级光电信息技术虚拟仿真实验中心平台项目。

旷明顺，男，湖南文理学院学生；李长生（1982－），男，湖南文理学院副教授，研究方向为微纳米尺度器件电子输运及模拟。