器件仿真的云計算實驗教學平臺實現

曠明順 李長生

（湖南文理學院物電學院，湖南 常德 415000）

器件仿真的云計算實驗教學平臺實現

曠明順 李長生

（湖南文理學院物電學院，湖南 常德 415000）

隨著網絡計算技術的日漸發展和成熟，逐漸演變成現今為大家所熟知的云計算，云計算實驗平臺對于虛擬實驗技術的發展起到重要作用。文章基于虛擬科研組織nanoHUB的虛擬計算技術進行云計算實驗平臺搭建，實現了專業微電子模擬軟件在云計算教學實驗平臺的在線實驗，為云計算在器件虛擬仿真實驗教學和研究提供了新的解決方案。

器件仿真；在線實驗；云計算

1 引言

隨著互聯網技術的不斷發展，計算機網絡聚集了海量數據資源、軟件資源、計算資源以及服務資源，但卻存在總量豐富，但資源利用率低的矛盾。網絡協作、充分利用閑散資源成為最初的解決方案－網絡計算。網絡計算通過整合網絡中的大量閑散網絡資源，在動態和自治的環境中進行協調和資源共享，解決大規模的具有挑戰性的問題[1]。近年來，隨著商業應用的巨大需求，過去的網絡計算演變成了現在熱門的云計算。云計算通過將各種互聯網的計算資源、儲存資源、數據資源、應用資源等進行有效的整合并實現多層次的虛擬化與抽象化，有效地將大規模的計算資源以可靠的服務形式提供給用戶，從而將用戶從復雜的底層硬件邏輯、網絡協議和軟件構架中解放出來[2]。目前，谷歌、微軟、亞馬遜、IBM，阿里巴巴等知名IT企業紛紛推出云計算解決方案。同時，國內外學術界也紛紛對云計算進行深層次的研究。

在云計算平臺上，平臺可以同時運行多個不同類型的業務。業務可不是同一的，不是已有的或者事先定義好的，而是用戶自己創建并定義的服務。云計算還可以構建在不同的基礎平臺之上，即可以有效兼容各種不同類別的硬件和軟件基礎資源。能面對海量信息交互，有穩定、高效的海量數據通信和存儲系統作為支撐，以滿足應用和用戶規模增長的需要。支持資源動態伸縮，實現基礎資源的網絡冗余，意味著添加、修改、刪除云計算環境當中的任一資源節點，亦或任一資源節點異常時，都不會導致云計算環境中的各類業務的出現中斷，也不會導致用戶數據的丟失，從而使安全和穩定性大為提升。

本文基于nanoHUB的虛擬計算技術進行云計算實驗教學平臺搭建，實現專業微電子計算軟件在云計算實驗平臺的在線實驗，學生用戶端不需要復雜繁瑣的專業軟硬件安裝和培訓，為云計算在科研、教育領域的虛擬仿真實驗提供新的解決方案。

2 基于nanoHUB的云計算實驗平臺

nanoHUB是為支持納米技術研究而創建的虛擬計算中心[3-4]。它使用了各種開放源代碼組件，以實現比以前的遠程訪問工具功能更加強大的工具。nanoHUB在建立時，納米技術處于起步階段，還是一項新興科技。nanoHUB將目標聚焦于納米光子學、納米電子學、納米機電學和生物醫藥納米儀器上，只向研究者提供與納米研究相關的在線模擬工具。至今，nanoHUB已發展至研究、合作與教育三個領域，除了在線模擬工具以外，提供更多的資源（動畫、教程、演講等），滿足人們對納米科學技術合作與教育的需求。nanoHUB已成為向研究者、教師和學生等用戶提供納米科學與技術相關資源的一站式門戶網站。nanoHUB的運作模式可簡要表示如圖1：

圖1　nanoHUB運作模式圖[3]

作為一個專注于納米科技領域的虛擬社區，nanoHUB成為虛擬科研組織的典型。nanoHUB既是內容的提供者，同時也是在線實驗室。學生可以從中搜索講演、播客、動畫或者在線課程等，可以更好地理解納米知識和納米技術。科研方面,nanoHUB為中小機構的研究者提供了以往無法獲得的儀器設備的使用機會，使得更多的人能夠投入納米領域的研究。合作方面,nanoHUB允許用戶上傳自己的工具、課程資料和研究成果等內容與其他人進行分享，為個人研究者提供了展示研究成果的平臺。

本文所設計的云計算實驗平臺，在學院高性能計算機集群的硬件基礎上搭建，所有節點安裝debian linux操作系統和nanoHUB的相關軟件系統，平臺命名為hub106，軟硬件后臺搭建技術正是基于nanoHUB的虛擬計算平臺搭建技術[5]。

3 云計算實驗平臺的器件在線仿真

實驗一：單門場效應管在線虛擬仿真。以單門場效應管在線虛擬仿真為例，在線實驗的具體實驗步驟與過程如下：打開網頁瀏覽器，輸入物電學院仿真實驗網頁地址 https:// 172.16.40.192，可看見圖2：

圖2　器件在線仿真平臺主頁面截圖

點擊仿真工具下面的“微電子器件仿真實驗”，進入用戶登錄界面，輸入用戶名和密碼后跳轉進入仿真實驗頁面，可在第一行空格選擇“single gate MOSFET”即單門場效應管實驗。左邊的各個空格可以自行設定器件參數，還可點擊環境設置溫度等。點擊右邊的“simulate”，在線計算和模擬筆者設定的單門場效應管各項電學參數和特征曲線，等待幾秒后可見相關計算結果如圖3：

圖3　單門場效應管實驗截圖

如需下載筆者模擬的相關數據和結果圖片，可下載原始數據文件或保存結果為jpg圖像等。該場效應管器件在線仿真可幫助學生更好的理解與掌握場效應管的基本理論知識。

實驗二：雙門場效應管在線虛擬仿真。實驗步驟同實驗一，在仿真模型中選擇“double gate MOSFET”雙門場效應管。實驗截圖見圖4：

圖4　雙門場效應管電學實驗截圖

實驗三：碳納米管效應管在線虛擬仿真。實驗步驟同前，在仿真模型中選擇“carbon nanotube MOSFET”碳納米管場效應管。實驗截圖見圖5：

圖5　碳納米管場效應管實驗截圖

通過教師指導學生建立簡單的場效應管結構模型，并設置氧化層厚度、摻雜濃度等，點擊計算模擬器件各種電學參數和特征曲線。使學生不用安裝專業計算軟件，僅通過網絡計算平臺即獲得對于以上概念的直觀認識，又可加深對場效應管與器件各關鍵電學參數動態關系的理解。

4 結論

基于nanoHUB搭建的云計算實驗平臺，成功實現了學生在任意網頁端口進行場效應管等器件在線實驗，電學參數和特征曲線的計算與模擬，與相應的氧化層厚度、摻雜濃度等參數下的實際數據相吻合。該平臺不僅可以實現微電子器件在線實驗，同時可以在平臺安裝多種教學和科研計算軟件，進行課程學習、資源共享、社交論壇等功能擴展，將平臺發展成為一個集科研、教育、社交為一體的多功能云計算實驗教學平臺。

[1] 王鵬.走進云計算[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[2] 吳吉義,平玲娣,潘雪增,等.云計算:從概念到平臺[J].電信科學,2009(12):23-24.

[3] 鄭忠偉,李文,孔寒冰.虛擬科研組織:理工科大學的一種選擇[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

湖南文理學院省級光電信息技術虛擬仿真實驗中心平臺項目。

曠明順，男，湖南文理學院學生；李長生（1982－），男，湖南文理學院副教授，研究方向為微納米尺度器件電子輸運及模擬。