Was ist inverses Design?

Inverses Design ist ein computergestütztes Entwurfsverfahren, das den konventionellen Prozess umkehrt, um ein optimales Design und einen effizienteren Simulationsansatz für die Werkstoffentwicklung und nanofabrizierte Plattformen zu erhalten.

Konventionelle Designansätze beginnen mit einer vorhandenen Lösung, um dann mit der Versuch-und-Irrtum-Methode in der Simulation und in Experimenten die erweiterten Spezifikationen zu erfüllen. Dafür können oft mehrere Iterationen notwendig sein, was bei der Integration Hunderter von Designparametern zu Lasten der Sorgfältigkeit gehen kann.

Beim inversen Design dagegen ist die gewünschte Systemleistung der Ausgangspunkt, von dem aus mit mathematischen Methoden ermittelt, wie sich diese Leistung erreichen lässt. Ingenieur*innen nutzen dieses mathematische Instrumentarium zusammen mit fortschrittlichen Optimierungsalgorithmen, um das Materialdesign, die Werkstoffeigenschaften, die Struktur und die Zusammensetzung für Technologiesysteme und Anwendungen in jedem Bereich zu verbessern. Dieser Prozess erfordert die Bewertung der Systemleistung sowie hochauflösende Messungen der physischen Vorgänge im System. Denn nur so lassen sich diese Entscheidungen treffen.

Inverses Design bezieht sich im Allgemeinen auf den Paradigmenwechsel, bei dem mit den Spezifikationen begonnen wird und der Iterationsprozess automatisiert erfolgt. Trotz im Detail recht unterschiedlicher Varianten eignet sich inverses Design für eine Vielzahl von Anwendungen. Seine besonderen Vorteile entfaltet es in Anwendungen, bei denen die Leistung sehr empfindlich auf die Morphologie und Materialeigenschaften eines Geräts reagiert. Das ist u. a. bei Strukturen mit fortschrittlichen Werkstoffen sowie Anwendungen mit sehr hoher Hochfrequenz-Elektromagnetik der Fall. Da es sich dabei um neue Technologien und Prozesse handelt, ist das inverse Design eine leistungsfähige Option, um schnell vollkommen neue Lösungen zu finden.

Aus diesem Grund sind inverse Designansätze in nanophotonischen Anwendungen wie photonischen integrierten Schaltkreisen (PICs), Optoelektronik, Metamaterialien und Metaoberflächen von Nutzen.

Inverses Design ist im Wesentlichen ein fortschrittliches Reverse-Engineering-Optimierungsproblem. Es handelt sich um einen Ansatz für die Gesamtmethodik, unterstützt durch maschinelles Lernen und Deep-Learning-Optimierung. Mit inversem Design lassen sich komplexe Werkstoffsysteme effizienter berechnen als mit herkömmlichen Methoden, da letztere zur Lösung komplexer Probleme nicht immer über die Rechenleistung, den Datenbestand und das Lernmodell verfügen.

Beim inversen Designprozess wird grundsätzlich zuerst das Problem definiert, bevor nach optimalen Lösungen gesucht wird. Dieser komplizierte Prozess umfasst hochkomplexe Elemente wie die Berechnung von Derivaten und hat – da es sich immer noch um einen relativ neuen Ansatz handelt – eine steile Lernkurve. Wer jedoch das inverse Design beherrscht, gewinnt damit wesentlich mehr Möglichkeiten bei der Entwicklung unterschiedlicher, komplexerer Designvarianten.

Anwender*innen haben viele Möglichkeiten, bestimmte Designprobleme ausgehend von den gewünschten Leistungskennzahlen zu lösen, wie die Optimierung eines vorhandenen Geräts durch Parametrierung, die Reduzierung des Geräteplatzbedarfs, die Erschließung neuer Freiheitsgrade zur Geräteverbesserung oder die Entwicklung von komplett neuen Systemen. Über die Geräteleistung hinaus kann inverses Design dazu dienen, Technologiedesigns widerstandsfähig gegenüber Fertigungstoleranzen zu gestalten.

Speziell für Photonikgeräte wird das Photonic Inverse Design (PID, inverses Photonik-Design) eingesetzt. Bei diesem Prozess werden die Werkstoffe zu Beginn angegeben Die Anordnung der Werkstoffe wird moduliert – das heißt die Entfernung und Hinzufügung von Materialien an bestimmten Stellen im Optimierungsbereich des Bauteils sowie durch benutzerdefinierte Formen oder eine pixelbasierte Topologie.

Topologieoptimierte Geometrie eines 50/50-Wellenleiter-Splitters in der Ansys Lumerical-Software (unten) nach Photonic Inverse Design (PID) und einem SEM-Bild desselben Geräts, das von Applied Nanotools auf der SOI-Plattform mit der E-Beam-Lithographie hergestellt wurde

Es gibt viele Bereiche im photonischen Bereich, insbesondere PICs, wo sich mit inversem Design fortgeschrittene photonische Komponenten entwickeln lassen. Einige wichtige Beispiele für die Verwendung von inversem Design in der fortschrittlichen Photonik sind:

• Splitter, die einen photonischen Kanal (optischen Wellenleiter) in zwei Kanäle aufteilen
• Koppler, die Licht zwischen Kanälen übertragen
• Polarisierungs-Spaltgitterkoppler, die Leitungs- und Kopplungsfunktionen ausführen
• Filter wie topologische Farbfilter zur Leitung von Licht in verschiedene Kanäle auf PICs
• Photonische Metamaterialien und Metaoberflächen

Diese Optimierung nutzt neuartige Muster, um RGB-Licht physisch in die verschiedenen Subpixel zu sortieren, wodurch höhere SNR-Verhältnisse erzielt und zusätzliche Werkstoffe im Nanofabrikationsprozess vermieden werden.

Inverses Design ist ein Prozess, der unter den richtigen Umständen sehr nützlich sein kann. Dennoch handelt es sich um einen relativ neuen Ansatz, der je nach beabsichtigter Leistung, Funktionalität, Toleranz und Komplexität des zu entwerfenden Systems nicht immer benötigt wird. Im Folgenden sind einige Vorteile und Grenzen der heutigen Inverse-Design-Methoden aufgeführt.

Vorteile von inversem Design

• Bietet ein Hochleistungs-Tool zur effizienten Entwicklung von unintuitiven Designs
• Erstellt Geräte mit mehr Freiheitsgraden (bis zu Tausenden Freiheitsgraden), die mit herkömmlichen Parametern nicht möglich wären
• Reduziert den Bedarf an Prototypen und physikalischen Experimenten in frühen Entwicklungsphasen
• Beschleunigt die Entdeckung von Werkstoffen
• Verbessert die Geräteleistung ohne mehrere Iterationsschritte (einschließlich mehrerer Simulationsstufen)
• Bietet eine ideale Lösung für photonische Anwendungen, bei denen für modernste Geräte anders als bei konventioneller Elektronik kein jahrelanges Entwicklungswissen verfügbar ist
• Bietet eine effiziente Möglichkeit, Mechanismen und Möglichkeiten der Werkstoffoptimierung bei neuen Technologieanwendungen zu entdecken und neue Erkenntnisse über diese Anwendungen zu gewinnen

Grenzen von inversem Design

• Hat eine steile Lernkurve, selbst für erfahrene Ingenieur*innen, weshalb inverses Design nicht so weit verbreitet ist, wie es sein könnte
• Verwendet viele Python-Module und Optimierungs-Frameworks, die Erfahrung in diesen Informatikbereichen erfordern
• Erfordert viel Programmiererfahrung, da die Empfindlichkeit gegenüber den Bedingungen bei bestehenden und neuen Geräten unterschiedlich ist
• Erhöht die Rechenkosten
• Erfordert eine abschließende Feinabstimmung der Geräte, um sicherzustellen, dass diese physisch machbar sind und es sich nicht nur theoretisch ideale Geräte handelt

Simulationssoftware ist ein wichtiger Bestandteil des inversen Designs. Obwohl inverses Design ohne fortschrittliche Simulationssoftware nicht möglich wäre, unterstützen derzeit nur Simulationspakete, die auf der Finite-Difference-Time-Domain (FDTD)-Methode basieren, inverses Design, wie die erweiterte dreidimensionale elektromagnetische FDTD-Simulationssoftware Ansys Lumerical FDTD. Dies liegt daran, dass für inverse Designansätze (aufgrund der großen Anzahl von Werkstoff- und Systemfaktoren) viele Informationen über die Physik des Werkstoffsystems benötigt werden.

Die FDTD-basierte Simulation ist zudem ein Goldstandard in der Photonik, der jedoch rechenintensiv ist und beim inversen Design hohe Berechnungskosten verursacht. Der andere rechnerische Aspekt sind die gradientenbasierten Berechnungen, die ebenfalls einige Zeit in Anspruch nehmen können. Doch ungeachtet möglicher langer Rechenzeiten ist die FDTD immer noch kostengünstiger angesichts des Zeitaufwands, den Ingenieur*innen in wesentlich längere physische Prototypenphasen investieren müssen, um dieselben Ergebnisse zu erzielen.

Die inverse Designmethode ist ein komplexer Rahmenprozess rund um die FDTD-Simulation. Folglich ist ohne die FDTD kein inverses Design möglich. Für viele Anwendungen und Geräte ist die FDTD ausreichend. Für Hochleistungsanwendungen, bei denen die Leistung auf das Maximum verbessert werden muss, oder für Anwendungen, bei denen Wissenschaftler*innen angesichts eines bestimmten Platzbedarfs die Grenzen des Machbaren ausloten möchten, ist inverses Design ein äußerst vorteilhafter Ansatz.

Inverses Design ist immer noch ein relativ neuer Ansatz in den Bereichen Simulation, Photonik und fortschrittliche Technologie. Daher ändern sich nach wie vor viele Herangehensweisen an inverse Designprobleme und Anwendungen, in denen inverses Design verwendet wird.

Inverses Design wird weiterhin in verschiedene Algorithmen für künstliche Intelligenz (KI) integriert, darunter maschinelles Lernen, Deep Learning und tiefe neuronale Netzwerke. Mit dieser Integration sollen die Fähigkeiten von inversen Designmethoden verbessert werden, einschließlich der Automatisierung der Gradientenabfallberechnungen.

Das Interesse an einer vollständigen Kontrolle über die Leistungskennzahlen wächst. Durch Verbesserungen und Automatisierung in diesem Bereich haben Wissenschaftler*innen die volle Kontrolle über die Definition der Leistungskennzahlen, an denen sie interessiert sind. Derzeit lässt sich zwar die Leistung photonischer Systeme mit inversem Design betrachten. Doch wie gut das funktioniert, hängt von der Leistungsstärke der einzelnen Modi oder Ports ab. Es gibt jedoch auch einen Vorstoß, um erweiterte Leistungsoptimierungen zu erreichen, z. B. die Optimierung der Lichtintensität in bestimmten Bereichen oder die Optimierung von Phasenverzögerungen zwischen Modi.

Bei der Optimierung verschiedener Probleme wurden bereits viele Fortschritte erzielt, aber es gibt immer noch zahlreiche weitere Leistungskennzahlen, für die inverses Design in Betracht gezogen werden kann. Ebenfalls wird versucht, die Methodik anpassbarer und benutzerfreundlicher zu gestalten, damit sie in den kommenden Jahren von unterschiedlichsten Branchen übernommen werden kann.

Wenn Sie mehr über inverse Design-Simulationsmethoden für Ihre Produkte erfahren möchten, wenden Sie sich an unser technisches Team und informieren Sie sich, wie Ansys als Teil von Synopsys Ihnen dabei helfen kann, den Prozess für Sie zu vereinfachen.

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