Automatisierung und Skriptprogrammierung

1. Warum Simulationen automatisieren?

Sobald eine Gerätearchitektur festgelegt wurde, ist der nächste logische Schritt oft, Fragen zu stellen wie: „Was passiert mit dem Wirkungsgrad meiner Solarzelle, wenn ich die Beweglichkeit der aktiven Schicht ändere?“ oder „Wie verschiebt sich die Emissionswellenlänge meines Lasers, wenn ich die Dicke des Quantenraums variiere?“ Um diese Fragen zu beantworten, müssen ein oder mehrere Material- oder Geräteparameter systematisch über einen Wertebereich verändert und die resultierenden Daten analysiert werden. Auch für die Anpassung und die Parameterbestimmung ist Automatisierung von großer Bedeutung. In vielen Fällen wird das Modell an experimentelle Messwerte angepasst – beispielsweise an eine gemessene J–V-Kurve –, um physikalisch aussagekräftige Parameter zu ermitteln (z. B. Beweglichkeiten, Rekombinationsraten oder Kontakteigenschaften). Eine solche Anpassung manuell durchzuführen, ist zeitaufwendig, fehleranfällig und schwer reproduzierbar.

Über die Anpassung an einzelne Anwendungsfälle hinaus ermöglichen automatisierte Simulationen die praktische Erstellung großer, konsistenter Datensätze, indem Parameter oder Gerätekonfigurationen auf kontrollierte Weise variiert werden. Diese Datensätze sind zunehmend wertvoll für statistische Analysen und für das Training von Modellen für maschinelles Lernen, bei denen Tausende oder Millionen von Simulationen erforderlich sein können. In all diesen Fällen bietet die Automatisierung eine skalierbare und zuverlässige Methode, um Designräume zu untersuchen, Parameter zu extrahieren und Einblicke in die Physik der Geräte zu gewinnen.

2. Beispiele für Automatisierung

OghmaNano bietet verschiedene Ansätze zur Automatisierung von Simulationen an, je nach Ihren Programmierkenntnissen und der Komplexität der Aufgabe:

1. Parametersuchfenster: Mit dem Parametersuchfenster können Sie einen oder mehrere Parameter in Schritten mithilfe der grafischen Benutzeroberfläche variieren. Es sind keine Programmierkenntnisse erforderlich, was es ideal für schnelle, explorative Studien macht. Diese Methode deckt die meisten alltäglichen Anwendungsfälle ab, bei denen Sie einfach sehen möchten, wie ein Parameter die Ergebnisse beeinflusst.

2. Python-Skripting: Für eine noch präzisere Steuerung unterstützt OghmaNano Python-Skripting. Python ist Open Source, wird in der wissenschaftlichen Datenverarbeitung weit verbreitet eingesetzt und bietet maximale Flexibilität bei der Automatisierung großer Datenverarbeitungsprozesse oder der Integration mit externen Analysewerkzeugen.

3. MATLAB-Skripting: Eine weitere Möglichkeit ist MATLAB-Skripting. Viele Wissenschaftler und Ingenieure sind mit MATLAB vertraut, aber es handelt sich um eine kommerzielle Software. GNU Octave ist eine kostenlose Alternative, bietet aber derzeit keine vollständige JSON-Unterstützung.

4. Datengenerierung mithilfe von maschinellem Lernen: Automatisierte Arbeitsabläufe können große, konsistente Datensätze erstellen, indem sie systematisch Gerätekonfigurationen, Materialparameter oder Betriebsbedingungen variieren, um diese in Modellen des maschinellen Lernens zu verwenden.

5. Automatisierte Anpassung und Parameterextraktion: Die Automatisierung kann auch dazu verwendet werden, experimentelle Daten anzupassen, indem das Modell wiederholt ausgeführt wird, beispielsweise bei der Extraktion von Parametern aus gemessenen J–V-Kurven oder optischen Spektren.

3. Wie die Automatisierung im Hintergrund funktioniert.

All diese Ansätze basieren auf demselben grundlegenden Prinzip: Die OghmaNano-Simulationsdatei (sim.oghma) wird systematisch bearbeitet, und die Kern-Engine (oghma_core.exe) wird ausgeführt, um neue Ergebnisse zu generieren. Ein wichtiger Punkt, den man verstehen sollte, ist, dass sim.oghma lediglich ein ZIP-Archiv ist, das eine JSON-Datei (sim.json) enthält. Dieses Dateiformat wird detaillierter hier beschrieben. Wenn Sie diese JSON-Datei bearbeiten können – mit Python, MATLAB oder einer beliebigen Programmiersprache (C, C++, Java, Perl, PHP, Ruby usw.) – können Sie OghmaNano automatisieren.