什麼是逆向設計？

逆向設計是一種工程運算方法，其顛覆傳統流程，提供更為理想的設計及更有效率的方法，以模擬材料設計和奈米製造平台。

傳統的設計方法是從現有解決方案開始，然後在實驗和模擬中試錯，以達到更高的規格。這通常涉及多次迭代，在結合幾百個設計參數時便可能無法嚴格執行。

反之，逆向設計會考量系統所需效能，並使用數學以判斷如何改善。接著，工程師會使用此數學工具箱，以及先進的最佳化演算法，針對任何技術系統和應用領域，改善材料設計、材料屬性、結構和組成。此流程需要評估系統效能，並對系統中實際發生的物理現象，進行高解析度的測量，才能做出這些決策。

逆向設計通常是指從規格開始，並自動化迭代流程的典範轉移。它可以有不同風格，而且應用領域相當廣泛。這是一款功能強大的工具，適用於效能對裝置形態和材料屬性非常敏感的應用領域，採用先進材料和極高頻電磁學的結構，即是此類應用案例。此外，知道這些都是新興技術和流程後，逆向設計反而能提供強大的工具，快速找到尚未存在的解決方案。

因此，逆向設計方法在奈米光子學應用領域至關重要，例如光積電路 (PIC)、光電子學、超穎材料和超穎介面。

逆向設計在本質上是進階版的逆向工程最佳化問題。逆向設計雖是指的是整體的方法，但它以機器學習和深度學習最佳化為基礎。它提供更有效率的方法以運算複雜的材料系統‍，相較之下，傳統方法不一定具備能解決複雜問題的運算能力、資料集和學習模型。

逆向設計的整體流程會先定義問題，接著再搜尋最佳解決方案。這是一個複雜的流程，涵蓋高度複雜的元素，例如計算導數，同時具有高學習曲線，因為其仍是相對較為新穎的方法。然而，一旦熟練之後，它便能提供更多用於開發不同且更複雜設計變化的設計空間。

使用者有許多選擇，可根據所需的效能指標，解決特定的設計問題，包括透過參數化以最佳化現有裝置、減少裝置的佔用空間、開啟新自由度以改善裝置，或建立全新的系統。除了裝置本身的效能外，逆向設計還能用於提升技術設計對製造公差的容忍度。

特別是光子學裝置，其使用光子逆向設計 (PID)。在此流程中，選用材料會在流程開始時就指定好。它會調整材料的排列方式，也就是說，在裝置最佳化區域的特定位置，透過使用者定義的形狀或像素化拓撲來移除與新增材料。

經過光子逆向設計 (PID) 後，在 Ansys Lumerical 軟體 (下方) 中，50/50 波導分光器的拓撲最佳化幾何，以及由 Applied Nanotools 在 SOI 平台上，使用電子束微影技術製造之相同裝置的 SEM 影像

光子學空間中有許多區域，特別是 PIC 領域，可以使用逆向設計建構進階光子元件。在進階光子學中，使用逆向設計的一些關鍵範例包括：

• 將光子通道 (光學波導) 分為兩個通道的分光器
• 在通道之間傳輸光的耦合器
• 同時執行訊號路由與耦合功能的偏振分離光柵耦合器
• 濾波器，包括用於將光線路由至 PIC 上不同通道的拓撲彩色濾波器
• 光子超穎材料和超穎介面

這種最佳化是利用創新模式將 RGB 光線實際分類為各種子像素，有助於實現更高的訊號雜訊比，並避免在奈米製程中使用額外材料。

在適當環境下使用逆向設計會是具有高度效益的流程，但其仍是相對較為新穎的方法，根據設計系統的預期效能、功能、公差和複雜性，不一定需要用到該方法。以下是當今逆向設計方法具備的一些優點和限制。

逆向設計的優點

• 提供高效能工具，能有效開發非直觀的設計
• 可建立自由度更高 (高達數千個自由度) 的裝置，這是傳統參數無法達到的
• 可減少早期開發階段對原型設計和實體實驗的需求
• 可加速材料探索
• 無需多次迭代步驟 (包括多個模擬階段)即可提升裝置效能
• 為光子學應用領域提供理想的解決方案，相較於傳統電子產品，這些尖端裝置缺乏多年累積的開發經驗
• 提供一個高效率的方法，以探索新興技術應用領域中的嶄新知識、機制和材料最佳化

逆向設計的限制

• 即使是經驗豐富的工程師，學習曲線也很陡峭，所以使用範圍不如預期般廣泛
• 使用許多 Python 模組和最佳化架構，這些都需要相關電腦科學領域的經驗
• 由於現有裝置和新裝置對條件的敏感度不同，因此需要豐富的編碼經驗
• 增加運算成本
• 最後需要對裝置進行一些微調，以確保這些裝置在實際上是可以執行的，而不只是理論上的理想裝置而已

模擬軟體是逆向設計的關鍵部分。沒有先進的模擬軟體，就無法進行逆向設計，但目前唯一支援逆向設計的模擬套件是基於有限差分時域 (FDTD) 的模擬套件，例如 Ansys Lumerical FDTD 進階 3D 電磁 FDTD 模擬軟體。這是因為執行逆向設計方法需要用到許多材料系統的物理資訊 (材料和系統因子數量龐大所致)。

基於 FDTD 的模擬也是光子學的黃金標準，不過其運算成本高昂，這正是目前逆向設計運算成本居高不下的原因。另一個運算層面是基於梯度的計算，同樣也需要花一些時間執行。即使 FDTD 的運算時間可能很長，仍比工程師的時間便宜，工程師必須走過實體原型設計階段，且耗費更長的時間，才能獲得相同的結果。

逆向設計方法是圍繞著 FDTD 模擬的複雜架構流程，如果沒有 FDTD，逆向設計將無法實現。對於許多應用領域和裝置而言，FDTD 就游刃有餘了。不過，對於需要將效能提升到最大的高效能應用領域，或是研究人員試圖在既定空間內突破技術極限的應用領域，逆向設計是深具效益的方法。

逆向設計在模擬、光子學和先進技術領域中，仍是相對較新的方法，因此在如何處理逆向設計問題，以及逆向設計可用於哪些應用領域方面，仍有許多變化。

逆向設計持續與不同的人工智慧 (AI) 演算法整合，包括機器學習、深度學習和深度神經網路。此項整合旨在改善逆向設計方法的能力，包括自動化進行梯度下降計算。

人們對於全面控制效能指標的興趣日益濃厚。此領域的進展和自動化，將讓研究人員能夠完全控制定義其感興趣的效能指標。目前，逆向設計可用於查看光子系統的效能，但卻受限於一種模式或連接埠的功率大小。然而，還有一股推力是實現更先進的效能最佳化，例如在特定區域最佳化光線強度，或是最佳化模式之間的相位延遲。

在最佳化不同問題方面，雖有取得許多進展，但還有更多針對逆向設計的效能指標需要納入考量。此外，我們也致力於讓此方法論更能客製化，而且更容易使用，希望在未來幾年可以被更廣泛的產業採用。

您若想深入瞭解如何在產品上執行逆向設計的模擬方法，請聯絡我們的技術團隊，並瞭解 Ansys (現已與 Synopsys 合而為一)能如何協助您簡化流程。

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