Supercomputer bruges til at simulere 3, 000-atom nano-enhed

Fujitsu Laboratories annoncerer, at de med succes har simuleret de elektriske egenskaber af en 3, 000-atom nano-enhed – en tredobling i forhold til tidligere indsats – ved hjælp af en supercomputer. På nanoskala niveau, selv mindre forskelle i den lokale atomare konfiguration kan have stor indflydelse på en enheds elektriske egenskaber, kræver, at den første-principper-beregningsmetode bruges til nøjagtigt at beregne fysiske egenskaber på atomniveau. Imidlertid, når denne metode anvendes til prognoser for elektriske ejendomme, de massive beregninger, der er involveret, begrænser disse prognoser til størrelsesordenen 1, 000 atomer.

Fujitsu Laboratories har nu udviklet en beregningsteknik, der reducerer hukommelseskravene og samtidig bevarer præcisionen. Ansøgning i en 3000 atom skala er blevet muliggjort gennem en supercomputer ved hjælp af massivt parallel behandling. Denne teknik gør det muligt at beregne elektriske egenskaber, ikke kun af individuelle nanoenhedskomponenter, men af ​​samspillet mellem disse komponenter. Forventningerne er, at denne udvikling vil bidrage til hurtigere praktiske implementeringer af nano-enheder. Denne simulering brugte massivt parallel computerteknologi udviklet af Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) og Computational Material Science Initiative (CMSI).

Nærmere oplysninger om denne teknologi bliver offentliggjort i den 14. januar-udgave af Applied Physics Express (SPIDS), brevjournalen fra Japan Society of Applied Physics.

Baggrund

I takt med at siliciumenheder som LSI er blevet mere og mere kompakte, der har været et forhøjet niveau af både driftshastighed og energieffektivitet. I de seneste år, imidlertid, hvor grænserne for miniaturisering fortsætter med at nærme sig, det er blevet en stigende udfordring at presse yderligere ydelse fra chips. Dette har ført til en inderlig indsats for at udvikle enheder fremstillet af nye materialer og nye typer strukturer.

Simulering af en nanoenheds elektriske egenskaber nøjagtigt på en computer i stedet for gennem eksperimenter kan gøre udviklingsprocessen hurtigere og billigere. En effektiv måde at gøre dette på er at udlede de elektriske egenskaber fra de første principper-metoden, som nøjagtigt beregner opførselen af ​​hvert atom. Men da metoden med de første principper kræver en enorm mængde beregninger, anvendelse af det til elektrisk ejendomsprognose er begrænset til modeller på skalaen 1, 000 atomer (figur 1). På denne skala, kun kanalregioner - veje for elektricitet - kan beregnes. En simulering, der ville omfatte interaktioner med tusindvis af tilstødende elektroder og isolatorer - som menes at påvirke elektriske egenskaber i høj grad - har været umulig.

Fujitsu Laboratories har udviklet en beregningsteknik, der reducerer hukommelseskravene og samtidig bevarer nøjagtigheden. Sammen med brugen af ​​en massivt parallel supercomputer, dette har gjort det muligt at udlede de elektriske egenskaber af en 3, 000-atom nano-enhed ved hjælp af de første principper-metoden. Simulering af de elektriske egenskaber ved en 3, 000-atom nano-enhed blev opnået på cirka 20 timer.

Simuleringen bruger et sæt basisfunktioner, der repræsenterer strømmen af ​​elektricitet. Typisk, øget antal basisfunktioner øger nøjagtigheden i tilnærmelser til den faktiske elektriske strøm, men det øger også mængden af ​​hukommelse, der bruges til beregningen. En detaljeret undersøgelse af disse resultater, fra et naturvidenskabeligt perspektiv, førte til opdagelsen af ​​et sæt basisfunktioner, der holder den nødvendige hukommelse til mindre end den tilgængelige hukommelse (figur 2).

Ved udførelse af simuleringerne, Fujitsu Laboratories brugte OpenMX, software til beregninger med første principper, der anvender massivt parallel teknologi udviklet af JAIST og CMS Initiative. Dette program brugte en atom-partitioneringsteknik (figur 3) til at begrænse hukommelses- og kommunikationskravene, og en rumopdelingsteknik (figur 4) til at accelerere hurtige Fourier-transformationsberegninger, som er en central del af beregninger fra første principper.

Denne kombination af teknikker gjorde det muligt at simulere de elektriske egenskaber af en nanoenhed med 3, 030 atomer, bestående af både grafen og et isolerende lag, på cirka 20 timer på en supercomputer. Simuleringsresultater med og uden det isolerende lag er vist i figur 5.

Denne teknologi, være i stand til at modellere de elektriske egenskaber ved en 3, 000-atom nano-enhed, blev brugt til at opdage de elektriske egenskaber af en nanoenhed, der inkluderede interaktioner med dens omgivelser, at tage et betydeligt skridt i retning af designet af nye nano -enheder.

Baseret på udvikling af stadig mere massiv parallel computing-teknologi, der har holdt trit med stigningen i ydeevnen af ​​computere, Fujitsu forfølger større og mere effektive beregninger. Inden for de næste mange år, Fujitsu sigter mod at opnå nano -enhedsdesign via computere gennem samlede simuleringer af nano -enheder (på skalaen 10, 000 atomer).