Fra massive supercomputere kommer de mindste transistorer

En ubarmhjertig global indsats for at krympe transistorer har gjort computere konstant hurtigere, billigere og mindre i løbet af de sidste 40 år. Denne indsats har gjort det muligt for chipmakere at fordoble antallet af transistorer på en chip omtrent hver 18. måned - en tendens kaldet Moores lov. I processen, den amerikanske halvlederindustri er blevet en af ​​landets største eksportindustrier, værdi til mere end 65 milliarder dollar om året.

Grundlaget for denne branches succes har været udviklingen af ​​gradvist mere dygtige chips. Imidlertid, ifølge International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), som identificerer teknologiske udfordringer og behov for halvlederindustrien i løbet af de næste 15 år, tegn peger på en afbrydelse i disse langsigtede tendenser.

Transistorstørrelsen vil fortsætte med at falde i et årti, når ca. 5 nanometer langt og 1 nanometer (eller ca. 5 atomer) bredt i sit kritiske aktive område. Ud over det punkt, hvad der sker er sværere at forudsige.

På denne nanoskala, nye fænomener har forrang frem for dem, der holder styr i makroverdenen. Kvanteffekter som tunneling og atomistisk lidelse dominerer egenskaberne ved disse nanoskalaenheder. Grundlæggende spørgsmål om, hvordan forskellige materialer og konfigurationer opfører sig i denne skala, skal besvares.

"Yderligere forbedringer i disse dimensioner kommer kun gennem detaljeret og optimeret enhedsdesign og bedre integration, "sagde Gerhard Klimeck, en professor i elektrisk og computerteknik ved Purdue University og direktør for Network for Computational Nanotechnology der.

Det er på atomskalaen styret af nanoskala og kvanteinteraktioner, som Klimeck virker. Han leder et team, der udviklede et af de primære softwareværktøjer, der bruges af akademikere, halvledervirksomheder og studerende til at forudsige nanoskala transistors fremtidige adfærd.

Kaldes NEMO5 (femte udgave af NanoElectronics MOdeling Tools), softwaren simulerer multiscale, flerfysiske fænomener, der opstår, når en elektrisk ladning passerer gennem en få atomer bred transistor. Derved, NEMO hjælper forskere med at designe fremtidige generationer af nanoelektroniske enheder, herunder transistorer og kvantepunkter, selv før de fysisk kan produceres, og forudsiger enhedspræstationer og fænomener, som forskere ellers ikke kunne udforske.

"Der er ingen computerstøttede designværktøjer, der kan modellere disse enheder i atomistisk forstand, "Klimeck sagde." Alle de standardværktøjer til design af halvlederudstyr, der er derude, antager, at stoffet er glat og kontinuerligt og ignorerer eksistensen af ​​atomer. "

Men der findes atomer, og deres adfærd skal tages i betragtning ved design af enheder, der kun er et par atomer på tværs.

"Det, vi bygger, er et ingeniørværktøj, der vil blive brugt til forståelse og design af enheder, der er i slutningen af ​​Moores lov, "Bemærkede Klimeck.

Med en Petascale Computing Resource Allocation -pris fra National Science Foundation, Klimecks gruppe bruger Blue Waters -supercomputeren på National Center for Supercomputing Applications til at studere grænserne for nuværende halvlederteknologier og mulighederne for fremtidige. Blue Waters er en af ​​verdens mest kraftfulde maskiner til simulering, modellering og dataanalyse.

Mehdi Salmani og SungGeun Kim, tidligere ph.d. elever i Klimecks gruppe, brugte Blue Waters til at modellere forskellige enheder og konfigurationer til International Technology Roadmap for Semiconductors. De undersøgte, om de stadig mindre enheder, der forventes at være tilgængelige i de næste 15 år, er fysisk mulige. De fastslog også, hvilken indvirkning kvanteeffekter som spredning og indespærring kan have på ydeevnen, når enheder skrumper ned til kritiske tærskler.

Simuleringer fra Klimecks team fandt vigtige afvigelser i enhedernes egenskaber, når de skaleres ned, stille spørgsmål om fremtidige enhedsdesign. Deres resultater blev inkluderet i ITRS -køreplanen i 2014 og hjælper med at guide retningen for mange af de største halvledervirksomheder i deres planlægning og fremtidig forskning og udvikling.

Klimecks team brugte også Blue Waters til at undersøge alternative materialer, der kan erstatte silicium i fremtidige enheder. Disse omfatter indiumarsenid og indiumantimonid, såvel som eksotiske materialer såsom grafen, carbon nanorør og topologiske isolatorer til kvante -spin -computere.

Resultaterne af deres simuleringer blev offentliggjort i Naturnanoteknologi i april 2014 og i Anvendt fysik bogstaver i august 2014.

NEMO5, og dens forgængere OMEN og NEMO3D, strøm ni applikationer på nanoHUB, et websted, der er vært for en voksende samling af simuleringsprogrammer til modellering af nanoskala fænomener. Siden de blev frigivet for næsten 15 år siden, mere end 19, 000 forskere er løbet over 367, 000 simuleringer ved hjælp af NEMO -familien af ​​værktøjer. NEMO og OMEN er blevet brugt i 381 klasser på institutioner rundt om i verden og er blevet citeret i 84 artikler i den videnskabelige litteratur.

"Den offentlige tilgængelighed af sådanne værktøjer understøtter hurtig innovation og fremskynder vedtagelsen af ​​forstyrrende teknologier i morgendagens højteknologiske enheder, "sagde Keith Roper, der overvåger programmet Network for Computational Nanotechnology i Engineering direktoratet på NSF.

Kombination af højtydende modelleringsværktøjer som NEMO5 med et højtydende modelleringssystem som Blue Waters gør det muligt for Klimeck og hundredvis af andre forskere at stille spørgsmål og finde løsninger langt ud over dem, de tidligere kunne løse.

"Det typiske problem, vi skal håndtere, har måske 100 000 til en million atomer, "Klimeck sagde." For ti år siden ville folk have fortalt mig, at det ikke er løseligt. Du kan ikke få en computer, der er stor nok. Nu hvor petascale Blue Waters -systemet er tilgængeligt, vi kan løse den slags problemer og hjælpe med at designe halvledere, der giver mulighed for fortsat teknologisk vækst. "