Nanoelektronik-forskere bruger Titan til en elektrificerende simuleringshastighed

Forskere ved ETH Zürich bruger USA's hurtigste supercomputer til at opnå store gevinster i at forstå de mindste elektroniske enheder.

Holdet, ledet af Mathieu Luisier, fokuserer på at videreudvikle frontlinjen inden for elektronikforskning - simulering og bedre forståelse af komponenter i nanoskala såsom transistorer eller batterielektroder, hvis aktive områder kan være i størrelsesordenen en milliardtedel af en meter, eller omtrent lige så længe, ​​som dine negle vokser på et sekund.

Selvom skalaerne på de undersøgte genstande er små, holdet har gjort store fremskridt hen imod mere effektive beregningskoder. Dets forskning blev udvalgt som finalist til dette års Association of Computing Machinerys Gordon Bell-pris, en af ​​de mest prestigefyldte priser inden for supercomputing.

Holdets prisindsendelse er et resultat af forskning udført på Oak Ridge Leadership Computing Facility's Cray XK7 Titan supercomputer. OLCF er et US Department of Energy Office of Science User Facility beliggende ved Oak Ridge National Laboratory.

Laptops, mobiltelefoner og andre elektroniske enheder bliver billigere og mere tilgængelige, samtidig med at de bliver mere og mere sofistikerede. Disse fremskridt er i høj grad på grund af de stadigt krympende dimensioner af deres elektroniske komponenter.

Imidlertid, udvikling af næste generations hardware kræver nu, at forskere og ingeniører forstår materialeinteraktioner på ekstremt lille tids- og størrelsesskala, førende forskere til at udvide eksperimentet med simulering.

"Vores mål er at studere enheder i nanoskala, såsom nanotransistorer, batterier eller en række andre nye enheder såsom computerhukommelser, optiske kontakter eller lysemitterende dioder på atomniveau, " sagde Luisier. "Hvis du vil gøre disse simuleringer nøjagtige og virkelig forudsigelige, du skal bruge såkaldt ab initio, eller fra de første principper, simuleringsmetoder."

I det væsentlige, ab initio-simuleringer giver forskere mulighed for at modellere ethvert atomsystem fra bunden uden behov for prækalibrerede materialeparametre. Selvfølgelig, at nå et sådant niveau af nøjagtighed er ikke gratis. Prisen er en tusindfold stigning i beregningsmæssig kompleksitet sammenlignet med, for eksempel, semiempiriske tilgange, der bruger input fra eksperimenter til at forenkle beregningen.

Forskere, der studerer nanoelektronik, må derfor typisk indgå et kompromis mellem at simulere en realistisk systemstørrelse (mindst 10, 000 atomer) og ved hjælp af meget nøjagtige ab initio metoder.

Til dette punkt, selvom, de fleste ab initio softwarepakker fokuserer på beregning af materialeegenskaber såsom krystal og elektroniske strukturer, gitter vibrationer, eller fasediagrammer og tager ikke højde for de reelle driftsforhold - under påføring af ekstern spænding, en elektronstrøm begynder at strømme gennem aktive nanostrukturer. Disse transportfænomener er beregningsmæssigt meget krævende og kræver en dedikeret modelleringstilgang.

Luisier og hans team, derfor, udviklet en metode til at lave ab initio transportsimuleringer, der er store nok til at undersøge nanostrukturer med størrelser, der er relevante for industri og eksperimentelle grupper. De manglede bare den rigtige maskine til at teste den.

To partnerkoder, ét mål

Nutidens integrerede kredsløb er sammensat af op til flere milliarder transistorer, der er tæt pakket på et areal, der ikke overstiger et par kvadratcentimeter. Med nanoelektronik, man kunne passe tusindvis af de i øjeblikket fremstillede nanotransistorer i bredden af ​​et menneskehår. Disse systemer er så små, at forskere må ty til kvanteteori for at forstå deres egenskaber.

Teamet bruger to forskellige softwarepakker til at udføre denne opgave. Fællesskabskoden CP2K, udviklet og vedligeholdt af ETH Zürich professor Joost VandeVondele, giver ab initio beskrivelsen af ​​nanostrukturer, hvorimod OMEN-koden fra Luisiers gruppe udfører kvantetransportsimuleringerne baseret på CP2Ks input. Ved at kombinere CP2K og OMEN, holdet kan få et unikt "materiale + enhed" perspektiv af atomare systemer.

Luisier forklarede, at der er to hovedudfordringer ved at simulere transport gennem nanoelektroniske komponenter. Først, forskere skal beregne, hvad de kalder åbne randbetingelser, der kobler simuleringen med dets omgivende miljø og muliggør strømflow. Som et andet skridt, de skal inkorporere de skabte grænseblokke i Hamiltonian, en matrix, der indeholder alle de interatomiske interaktioner, der karakteriserer enheden, og endelig skal de løse det resulterende sparsomme lineære system af ligninger. Ved at bruge denne tilgang, typiske state-of-the-art simuleringer inden for feltet kan nøjagtigt modellere omkring 1, 000 atomer.

Med fremkomsten af ​​hybride supercomputere, holdet indså, at de havde brug for en ny simuleringstilgang, der kunne udnytte potentialet i CPU'er og GPU-acceleratorer. Med denne idé i tankerne, to ph.d.-studerende i Luisiers gruppe, Sascha Bruck og Mauro Calderara, implementeret et originalt skema, der tillader holdet samtidigt at beregne de åbne grænsebetingelser på CPU'erne og skabe den passende Hamiltonske matrix på GPU'erne før en kort efterbehandlingsfase, kombinere derefter begge resultater. Denne tour de force hjalp ikke kun med at aflaste arbejde til GPU'erne, men angreb også problemet på to fronter på samme tid, reducere simuleringstiden markant.

"Det, der gjorde det muligt for os at blive så meget hurtigere og behandle virkelig store enhedsstrukturer, er, at vi fandt en måde at udføre det meste af arbejdet på effektivt, løsning af det lineære system, på Titans computerknudepunkter, bruger ekstremt hurtige GPU'er, mens de stadig holder CPU'erne beskæftiget med at beregne grænsebetingelserne på samme tid, " sagde Luisier.

Holdet testede først sin metode på Swiss National Supercomputing Centres Piz Daint-maskine, øge simuleringen fra 1, 000 atomer til 15, 000. For Luisier, dette var yderst opmuntrende, men han troede på, at holdet kunne gøre mere.

Efter disse indledende og vellykkede kørsler, holdet fik tid på Titan som en del af Director's Discretionary-programmet. Flytter fra Piz Daint, med sine 5, 000 plus beregningsknuder, til Titan - med op mod 18, 000 noder - gjorde det muligt for holdet at udføre en simulering med 50, 000 atomer, let at slå det tidligere benchmark. Luisier bemærkede også, at komme til en 50, 000-atoms simulering brugte ikke engang al Titans supercomputerkraft, hvilket betyder, at større simuleringer ikke kun er teoretiske, men sandsynligvis, i den nærmeste fremtid.

Ved at finde en metode til at lave ab initio kvantetransportberegninger på et så stort system, holdet er det første til at køre simuleringer, der kan svare til eksperimenter i marken, potentielt hjælpe med at fremme forskning og udvikling af næste generations elektroniske enheder.

"Hvis du bare har 1, 000 atomer, du kan ikke rigtig simulere en rigtig enhed, " sagde Luisier. "Det ville kræve at simulere omkring 10 gange så mange af dem. Med den nye metode vi kan virkelig modellere noget, der ligner en transistor eller en lagerenhed på ab initio-niveau. Og de nanotråde, som vi har undersøgt, er allerede blevet fremstillet for omkring 10 år siden, da eksperimentelister ikke var så avancerede i at producere små strukturer, som de er nu. Så det maksimale af det, vi nu kan simulere, går ud over de mindste strukturer, folk faktisk kan fremstille i laboratoriet i dag."

Selvom kodernes vedvarende ydeevne er imponerende -15 petaflops, eller 15 kvadrillioner beregninger i sekundet - Luisier understregede, at disse simuleringer ikke blev udført for at sætte nye beregningsmæssige præstationsbenchmarks på området, men snarere skulle forske videre.

"Dette er virkelig en produktionskode, en kode, der bruges på daglig basis, " sagde Luisier. "Det, der kommer ud af disse kørsler, er ikke kun FLOPS på en computer - disse resultater bruges i samarbejde med eksperimenter ved ETH Zürich og i udlandet. Der er et par grupper, der er meget interesserede i resultaterne, fordi de kan forklare, hvad disse grupper observerer i deres eksperimentelle enheder - ikke kun i nanotransistorer, men også i lys-emitterende komponenter eller kvanteprikkersolceller, for blot at nævne nogle få eksempler."