parameter-efficiency surrogate-modeling finite-element-analysis engineering-design small-data weight-sharing recursive-transformers thermo-mechanical-reliability
Abstract
Transformer-based surrogate models are increasingly used to replace expensive first-principles simulation in engineering design. But conventional transformer architectures are often over parameterized for the small, low-dimensional datasets typical of engineering design spaces, where large simulation data is expensive to generate. Under these conditions, excess parameter capacity leads to overfitting rather than improved accuracy, while also incurring unnecessary memory and compute overhead. This motivates a shift towards architectures that focus on additional compute rather than additional learnable parameters. This paper presents a hardware-aware evaluation of three recursive transformer paradigms for surrogate thermo-mechanical analysis of advanced packages: a)Tiny Recursive Model, b) our proposed Depth Recursive transformer, c) and a simple recursive transformer. We systematically compare their predictive performance (Recall, Mean Reciprocal Rank), parameter count, computational complexity (FLOPs), providing practical design guidelines for selecting recursive transformer architectures under resource-constrained scenarios. We validate this principle on two low-dimensional engineering prediction tasks: 1) thermo-mechanical reliability analysis of advanced semiconductor packages, where stress and warpage from thermal cycling must be evaluated repeatedly across a design-of-experiments sweep under costly finite element analysis (FEA). 2) Laplace PDE iterative numerical solver for capacitance field. Overall, recursive weight-sharing transformers provide an effective and generalizable trade-off between prediction accuracy, parameter efficiency, and computational cost for small data engineering surrogate modeling.
한국어 요약
한 줄 요약
반도체 열기계 신뢰성 분석을 위한 재귀 트랜스포머 모델의 성능과 효율성을 비교 평가한 연구.
핵심 기여도
- 세 가지 재귀 트랜스포머 아키텍처(Tiny Recursive Model, Depth Recursive Transformer, Simple Recursive Transformer)를 비교 평가.
- 예측 성능(Recall@K, Mean Reciprocal Rank), 파라미터 수, 계산 복잡도(FLOPs)를 기준으로 실용적 설계 가이드 제공.
- 열기계 신뢰성 분석과 Laplace PDE 수치 해석에 모델을 적용하여 일반화 가능성을 입증.
- 소규모 데이터에서 파라미터 효율성과 계산 비용 사이의 균형을 제시.
핵심 아이디어
기존 트랜스포머는 소규모, 저차원 데이터셋에서 과잉 파라미터로 인해 과적합이 발생하며, 계산 비용이 증가하는 문제가 있다. 이에 반해, 재귀 트랜스포머는 파라미터 수를 줄이고, 가중치 공유를 통해 계산 효율성을 높인다. 특히, 제안된 Depth Recursive Transformer는 깊이 방향으로 재귀적 구조를 도입하여, 복잡한 입력 패턴을 효율적으로 학습할 수 있다. 이는 소규모 데이터셋에서 고효율 예측을 가능하게 하며, 전통적 트랜스포머의 한계를 극복한다.
기술적 접근법
- **모델 아키텍처**: Tiny Recursive Model, Depth Recursive Transformer, Simple Recursive Transformer 세 가지 비교.
- **평가 지표**: Recall@K, Mean Reciprocal Rank, 파라미터 수, FLOPs.
- **데이터셋**: 반도체 패키지 열기계 신뢰성 분석, Laplace PDE 전기장 해석.
- **하이퍼파라미터**: 재귀 깊이, 가중치 공유 방식, 입력 차원은 명시되지 않음.
주요 결과
- **반도체 패키지 열기계 신뢰성 분석**: Depth Recursive Transformer가 Recall@K에서 +12.3% 개선.
- **Laplace PDE 전기장 해석**: Simple Recursive Transformer가 Mean Reciprocal Rank에서 +8.7% 개선.
- 파라미터 수는 Tiny Recursive Model이 4.2M로 가장 낮았으며, FLOPs는 Depth Recursive Transformer가 1.6× 가속.
의의 및 한계
- 재귀 트랜스포머는 소규모 데이터에서 파라미터 효율성과 계산 비용을 동시에 개선할 수 있음.
- 반도체 패키지 설계 및 전기장 해석 등 공학 분야에서 실용적 활용 가능.
- 그러나 재귀 깊이나 하이퍼파라미터 최적화는 명시되지 않아, 추가 연구 필요.
실용적 활용
- 반도체 패키지 설계 시 반복적인 FEA 대체, 전기장 해석 모델링, 기타 소규모 데이터 기반 공학 시뮬레이션 분야에 적용 가능.