Plasmaforskere udvikler computerprogrammer, der kan reducere omkostningerne ved mikrochips, stimulere fremstillingen

Fremstillet af det samme element som findes i sand og dækket af indviklede mønstre, mikrochips driver smartphones, forstærker apparater og hjælper med driften af ​​biler og fly.

Nu er forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) ved at udvikle computersimuleringskoder, der vil udkonkurrere nuværende simuleringsteknikker og hjælpe med produktionen af ​​mikrochips ved hjælp af plasma, den elektrisk ladede tilstand af stof, der også bruges i fusionsforskning .

Disse koder kan hjælpe med at øge effektiviteten af ​​fremstillingsprocessen og potentielt stimulere chipindustriens renæssance i USA.

"Fordi enheder med mikrochips er essentielle for vores daglige liv, er hvordan og hvor de fremstilles et spørgsmål om national sikkerhed," sagde Igor Kaganovich, en ledende forskningsfysiker, der leder lavtemperaturmodelleringsgruppen ved PPPL.

"Robuste og pålidelige simuleringsværktøjer, der nøjagtigt kan forudsige plasmaadfærd og forkorte fremstillings- og designcyklussen af ​​siliciumchips, kan hjælpe USA med at genvinde en førende rolle på dette felt og fastholde den i årtier."

Sæt tempoet op

En PPPL-forskningsindsats involverer at reducere den tid, computere har brug for til at simulere plasmareaktorer med mikrochip. Denne innovation vil hjælpe den private industri med at bruge mere komplekse og nøjagtige simuleringer i vid udstrækning og hjælpe deres indsats for at sænke omkostningerne til mikrochips.

"Virksomheder vil gerne bruge simuleringer til at forbedre deres processer, men de er typisk beregningsmæssigt dyre," sagde Andrew Tasman Powis, medforfatter af papiret, der rapporterer resultaterne i Physics of Plasmas og computational research associate hos PPPL. "Vi gør vores bedste for at imødegå denne tendens."

Fysikere ønsker normalt simuleringer for at gengive plasma så nøjagtigt som muligt, og generere virtuelle billeder, der afslører forviklingerne af plasmaadfærd med meget fine detaljer. Den proces kræver algoritmer, programmer, der følger et sæt regler, som simulerer plasma i meget korte tidsintervaller og i små rummængder.

Fangsten er, at sådanne detaljerede simuleringer kræver kraftige computere, der kører i dage eller uger ad gangen. Den tidsramme er for lang og for dyr for virksomheder, der ønsker at bruge simuleringerne til at forbedre deres mikrochipfremstillingsprocesser.

Forskerne dykkede ned i plasmafysikhistorien for at finde allerede udviklede algoritmer, der muligvis kan forkorte den nødvendige tid til at simulere mikrochipplasma. Forskerne fandt egnede algoritmer fra 1980'erne; Når de blev testet, demonstrerede algoritmerne en evne til at modellere mikrochipplasmasystemer på meget kortere tid og med kun en lille reduktion i nøjagtighed.

I bund og grund fandt forskerne ud af, at de kunne få gode simuleringer, selvom de modellerede plasmapartikler inden for større rum og brugte længere tidsintervaller.

"Denne udvikling er vigtig, fordi den kan spare virksomheder både tid og penge," sagde Haomin Sun, undersøgelsens ledende forsker og en tidligere kandidatstuderende ved Princeton Universitys program i plasmafysik, baseret på PPPL.

"Det betyder, at du med den samme mængde beregningsressourcer kan skabe flere simuleringer. Flere simuleringer giver dig ikke kun mulighed for at finde måder at forbedre produktionen på, men også at lære mere fysik generelt. Vi kan gøre flere opdagelser ved at bruge vores begrænsede ressourcer. "

Relateret forskning ledet af Powis forstærker denne mulighed. I et papir offentliggjort i Physics of Plasmas , bekræfter Powis, at computerkoder kan generere nøjagtige modeller af plasmapartikler, mens de bruger virtuelle "celler" eller små rumfang, der overstiger et standardmål inden for plasmafysik kendt som Debye-længden.

Denne udvikling betyder, at koderne reelt kan bruge færre celler og reducere behovet for regnetid. "Dette er gode nyheder, fordi en reduktion af antallet af celler kan sænke de beregningsmæssige omkostninger ved simuleringen og derfor forbedre ydeevnen," sagde Powis.

Algoritmerne kan simulere såkaldte "kapacitivt koblede plasmareaktorer", som skaber det plasma, som ingeniører bruger til at ætse smalle kanaler i en wafer af silicium. Disse små passager danner mikrokredsløbet, der gør det muligt for mikrochippen at fungere.

"Vi er interesserede i at modellere denne proces, så vi kan lære at kontrollere plasmaets egenskaber, forudsige, hvordan de ville være i en ny maskine, og derefter forudsige ætsningsegenskaberne, så vi kan forbedre processen," sagde Powis.

Holdet planlægger at teste algoritmerne yderligere ved at tilføje effekterne af forskellige slags væg- og elektrodematerialer. "Vi ønsker at fortsætte med at opbygge tillid til disse algoritmer, så vi kan være sikre på, at resultaterne er nøjagtige," sagde Powis.

Anerkendelse og overvindelse af iboende grænser

En anden forskningsindsats fokuserer på fejl, der kan snige sig ind i plasmasimuleringer på grund af de iboende begrænsninger af selve simuleringsmetoderne, som modellerer et mindre antal plasmapartikler, end der er til stede i ægte plasma.

"Når du simulerer plasma, vil du ideelt set gerne spore hver enkelt partikel og vide, hvor den er til enhver tid," sagde Sierra Jubin, kandidatstuderende ved Princeton-programmet i Plasmafysik og hovedforfatter på et papir, der rapporterer resultaterne i Plasmas fysik . "Men vi har ikke uendelig computerkraft, så det kan vi ikke."

For at omgå denne vanskelighed designer forskere kode, der repræsenterer millioner af partikler som én gigant partikel. At gøre det forenkler computerens opgave, men forstærker også interaktionen mellem de virtuelle mega-partikler. Som et resultat heraf sker en ændring i andelen af ​​partikler, der bevæger sig med en hastighed i forhold til hvor mange, der bevæger sig ved en anden - en proces kendt som termalisering - hurtigere end den gør i naturen. I det væsentlige stemmer simuleringen ikke overens med virkeligheden.

"Dette er et problem, fordi hvis vi ikke løser dette problem, vil vi ikke modellere fænomenerne, som de faktisk forekommer i verden," sagde Jubin. "Og hvis vi vil vide, hvor mange elektroner der bevæger sig med en bestemt hastighed og genererer ioner eller reaktive kemiske arter, der interagerer med de materialer, der bruges til at lave mikrochips, får vi ikke et præcist billede."

For at kompensere for disse beregningsfejl fandt forskerne ud af, at de kunne gøre mega-partikelvolumenerne større og mindre tætte, dæmpe deres interaktioner og bremse ændringerne i partikelhastigheder. "I virkeligheden sætter disse resultater grænser for, hvad der er muligt i mikrochipplasmasimuleringer, påpeger begrænsninger, som vi skal overveje, og fremlægger nogle løsninger," sagde Jubin.

Jubins resultater forstærker forestillingen om, at de nuværende simuleringsteknikker skal forbedres. Uanset om koder, der bruges i dag, kræver små volumenstørrelser og tidsintervaller, der tilsammen forsinker simuleringer, eller fordi de producerer fejl baseret på beregningskrav, har forskerne brug for nye løsninger. "Dette er faktisk et paradigmeskift på området," sagde Kaganovich, "og PPPL er førende."

Holdet omfattede forskere fra Princeton University, Swiss Plasma Center ved Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Indiens Birla Institute of Technology and Science, Indiens Homi Bhabha National Institute, University of Alberta i Edmonton, Applied Materials, Inc., og Kinas Sino -Fransk Institut for Nuklear Teknologi og Teknologi.

Flere oplysninger: Sierra Jubin et al., Numerisk termalisering i 2D PIC-simuleringer:Praktiske estimater for lavtemperaturplasmasimuleringer, Physics of Plasmas (2024). DOI:10.1063/5.0180421

A. T. Powis et al., Nøjagtighed af den eksplicitte energibesparende partikel-i-celle-metode til underopløste simuleringer af kapacitivt koblede plasmaudladninger, Physics of Plasmas (2024). DOI:10.1063/5.0174168

Haomin Sun et al., Direkte implicitte og eksplicitte energibesparende partikel-i-celle metoder til modellering af kapacitivt koblede plasmaenheder, Physics of Plasmas (2023). DOI:10.1063/5.0160853

Journaloplysninger: Plasmas fysik

Leveret af Princeton Plasma Physics Laboratory