Главная

Популярная публикация

Научная публикация

Случайная публикация

Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






Общие принципы построения вычислительных алгоритмов вероятностных клеточных автоматов




На рис. 3.8 представлена обобщенная структурно-логическая схема программного комплекса моделирования технологических процессов методом ВКА [9].

В блоке задания исходных данных производится задание характеристических параметров для каждого элементарного ФХП:

· энергии активации процесса (с учетом возможности протекания химических процессов по каталитическому механизму);

· частоты колебательного движения атомов (молекул) относительно положения равновесия;

· значения стерического фактора (в том числе с учетом возможного анизотропного характера взаимодействия атомов);

· правил приоритета вычислительных операций при параллельной реализации нескольких элементарных ФХП;

· факторы избирательности элементарных процессов (при наличии альтернативных возможностей).

Блок формирования исходного полигона моделирования предназначен для задания:

· геометрической (топологической) структуры полигона моделирования (и их комбинации при необходимости);

· параметров структурных точечных и (или) линейных дефектов кристаллической структуры рабочих сред;

· параметров автоматического формирования полигона, в соответствии заданным начальным условиям и постановкой задачи моделирования.

Рис. 3.8. Структурно-логическая схема программного комплекса [6]

В вычислительном блоке осуществляется комплекс необходимых вычислительных операций, отражающих процесс эволюции во времени объекта моделирования.

Представляется очевидным, что сложность создания необходимого для моделирования программного продукта находится в прямой зависимости от количества элементарных ФХП, учитываемых при моделировании. В этой связи, при моделировании сложных (с точки зрения наличия широкого спектра элементарных ФХП) технологических процессов к вопросу выбора оптимальной номенклатуры ФХП рекомендуется подходить поэтапно (от простых систем к более сложным).

С точки зрения требований к унификации и обеспечения возможности дальнейшей трансформации программных средств для большего круга практических задач, представляется предпочтительной модульная структура построения вычислительного блока. В качестве стандартных модулей, как правило, используются:

· «модуль адсорбции» атомов рабочей среды из газовой (или жидкой) фазы;

· «модуль десорбции» атомов рабочей среды с поверхности подложки;

· «модуль поверхностной диффузии» атомов рабочих сред в пределах поверхности подложки;

· «модуль объемной диффузии» атомов рабочих сред (по междоузелиям и вакансиям);

· «модуль химических процессов» атомов рабочей среды между собой и (или) с атомами подложки.

Указанные модули составляют стандартный набор элементарных ФХП в большинстве программных средств. С помощью этого ограниченного набора модулей можно провести моделирование для достаточно широкого круга технологических процессов и объектов (см. примеры моделирования, приведенные в разделе 3.6).

Расширение номенклатуры модулей (сверх перечня, приведенного выше) может быть связано с необходимостью рассмотрения ФХП:

· протекающих не по термическому механизму активации атомов рабочих сред;

· связанных с образованием структурных дефектов непосредственно в процессе эволюции моделируемых систем;

· протекающих в условиях воздействия внешних силовых полей (электрических, магнитных, акустических и т.д.) или – возмущающих факторов специфического типа (например, радиационного характера).

На рис. 3.9 – 3.11 представлены типовые схемы ряда алгоритмов для стандартных модулей (рисунки приведены по материалам дипломных работ студентов СГАУ: Коныгина С.Б (2002 г.); Козлова Д.А. (2009 г.)). Эти модули могут быть использованы как в автономном режиме, так и в их совокупном проявлении, адекватно отражающем специфику конкретного технологического процесса.

Представленные модули ни в коей мере не исчерпывают всего многообразия элементарных ФХП, используемых при проведении технологических процессов. Однако, на их примере представляется удобным сформировать начальные представления о специфике моделирования методом ВКА, когда речь идет о постановке вычислительных экспериментов технологической направленности (в особенности в части анализа оптимальных режимов микро- или нанотехнологий).

Важно отметить то обстоятельство, что модульное представление методов ВКА способствует и открывает широкие возможности для неуклонного повышения номенклатуры используемых при моделировании элементарных ФХП.

Рис.3.9. Типовая схема алгоритма блока: «модуль химических процессов»

Даже беглого взгляда на рис. 3.9 – 3.11 вполне достаточно чтобы заметить существенную общность алгоритмов различных модулей, с точки зрения фактора совпадения методологических принципов реализации рассмотренных индивидуальных модулей. Эта общность просматривается практически для всей совокупности модулей элементарных ФХП, используемых для реализации процесса моделирования микро- и нанотехнологий. Упомянутая общность обусловлена и тем обстоятельством, что во всех случаях анализ элементарных ФХП проводится с единой физической (энергетической) позиции.

Выбор альтернативных вариантов исходов (да – нет) при оценке возможности реализации элементарных ФХП производится следующим образом:

· Генератор случайных чисел (см. рис. 3.8) с наперед заданной функцией распределения случайных величин (равномерного, нормального или экспоненциального распределения) генерирует «случайное число» в диапазоне значений (0 – 1). Этому случайному числу Q приписывается смысл «потенциально допустимой вероятности» протекания ФХП на данном временном шаге моделирования.

· На основании анализа температурных режимов технологических процессов (при термическом принципе активация ФХП), механизмов протекания элементарных ФХП и характеристических параметров атомов (молекул), входящих в состав рабочих сред, аналитическим путем определяются вероятности реализации ФХП для случая единичного колебательного движения атома.

· На основании данных предыдущего пункта определяется вероятность ω протекания элементарного ФХП за интервал времени, соответствующего единичному шагу временной дискретизации процесса моделирования.

· Производится проверка выполнения условия для вероятностных параметров Q и ω:

а) если , то считается, что элементарный ФХП может быть успешно реализован на текущем шаге временной дискретизации;

б) если Q < ω, то считается, что на данном шаге временной дискретизации отсутствуют благоприятные условия для протекания элементарного ФХП, и, следовательно, этот тип ФХП не может быть реализован на текущем шаге моделирования.

Важным моментом при генерировании случайных чисел Q является задание стартового значения Q0. Если для каждого вычислительного эксперимента задавать одинаковое значение параметра Q0, то процесс моделирования будет приводить к идентичным результатам (вследствие использования одинаковой последовательности «случайных чисел»). В этой связи, для получения не повторяющихся результатов моделирования необходимо задавать для каждого нового вычислительного эксперимента свое значение параметра Q0.

Рис.3.10. Типовая схема алгоритма блока: «модуль объемной диффузии»


 

Рис. 3.11. Типовая схема алгоритма блока:

«модуль поверхностной диффузии»

В силу упомянутой выше общности индивидуальных алгоритмов, методологию работы всей совокупности индивидуальных модулей можно проиллюстрировать на примере реализации одного алгоритма - «модуля химических процессов» (см. рис. 3.9). Описание позиций рассматриваемого алгоритма представлено в таблице 3.1 (по материалам дипломной работы студента СГАУ: Коныгина С.Б (2002 г.).

Т а б л и ц а 3.1. Последовательность операций, выполняемых блоком

алгоритма «модуль химического процесса»

№ операции Расшифровка содержания элементарной операции «модуля химического процесса»
1. После передачи от блока управления запускающей команды блоку «модуль химического процесса» (символ №1) определяется: имеется ли в рассматриваемой ячейке полигона необходимый атом реагента (символ №2).
2. Если окажется, что данная ячейка полигона пуста (реагент отсутствует), то происходит выход из блока «модуль химического процесса» (символ №7).
3. Если в ячейке полигона имеется атом реагента, то с учетом факторов количества и типа соседних атомов определяется вероятность ω реализации химического процесса (для упрощения процедуры эти данные могут быть табулированы) (символ №3).
4. Генерируется случайное число Q в диапазоне значений от 0 до 1, на основании которого определяется, может ли быть реализован химический процесс на данном шаге моделирования (символ №4).
5. Производится сравнение численных значений параметров Q и ω (символ №4).
6. Производится проверка условия: а) если Q < ω, то считается, что химический процесс не реализуется, и производится выход из блока (символ №7); б) если , то считается, что химический процесс реализуется.
7. В ячейке полигона производится замена атома реагента на молекулу, появляющуюся в результате протекания химического процесса (символ №6).
8. Производится выход из блока «модуль химического процесса» (символ №7).

Следует обратить внимание на то обстоятельство, что все представленные в таб. 3.1 позиции (реализующие логическую последовательность шагов моделирования) являются интуитивно «прозрачными», с той точки зрения, что их восприятие не вызывает затруднений как с точки зрения физических представлений, так и – с позиции «здравого смысла». Эта «прозрачность» методологии ВКА является существенным подспорьем при разработке новых модулей, для моделирования новых комплексных технологических процессов.






Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных