En simuleringsbooster til nanoelektronik

To forskergrupper fra ETH Zürich har udviklet en metode, der kan simulere nanoelektroniske enheder og deres egenskaber realistisk, hurtigt og effektivt. Dette giver en stråle af håb for både industrien og datacenteroperatører, som begge kæmper med den (over)opvarmning, der følger med stadigt mindre og kraftigere transistorer.

Chipproducenter er allerede ved at samle transistorer, der kun måler nogle få nanometer på tværs. De er meget mindre end et menneskehår, hvis diameter er cirka 20, 000 nanometer i tilfælde af finere tråde. Nu, efterspørgslen efter stadig stærkere supercomputere driver industrien til at udvikle komponenter, der er endnu mindre og endnu mere kraftfulde på samme tid.

Imidlertid, ud over fysiske love, der gør det sværere at bygge ultra-skalerede transistorer, problemet med den stadigt stigende varmeafledning sætter producenterne i en vanskelig situation – delvist på grund af kraftige stigninger i kølebehovet og den deraf følgende efterspørgsel efter energi. Køling af computere tegner sig allerede for op til 40 procent af strømforbruget i nogle datacentre, som forskergrupper ledet af ETH-professorerne Torsten Hoefler og Mathieu Luisier rapporterer i deres seneste undersøgelse, som de håber vil gøre det muligt at udvikle en bedre tilgang. Med deres studie, forskerne er blevet tildelt ACM Gordon Bell Prize, den mest prestigefyldte pris inden for supercomputere, som uddeles årligt ved SC supercomputing-konferencen i USA.

For at gøre nutidens nanotransistorer mere effektive, forskningsgruppen ledet af Luisier fra Integrated Systems Laboratory (IIS) ved ETH Zürich simulerer transistorer ved hjælp af software ved navn OMEN, som er en såkaldt kvantetransportsimulator.

OMEN kører sine beregninger baseret på det, der er kendt som tæthedsfunktionel teori, muliggør en realistisk simulering af transistorer i atomopløsning og på kvantemekanisk niveau. Denne simulering visualiserer, hvordan elektrisk strøm flyder gennem nanotransistoren, og hvordan elektronerne interagerer med krystalvibrationer, dermed gør forskerne i stand til præcist at identificere steder, hvor der produceres varme. På tur, OMEN giver også nyttige fingerpeg om, hvor der er plads til forbedringer.

Forbedring af transistorer ved hjælp af optimerede simuleringer

Indtil nu, konventionelle programmeringsmetoder og supercomputere tillod kun forskere at simulere varmeafledning i transistorer bestående af ca. 000 atomer, da datakommunikation mellem processorerne og hukommelseskrav gjorde det umuligt at fremstille en realistisk simulering af større objekter.

De fleste computerprogrammer bruger ikke det meste af deres tid på at udføre computeroperationer, men snarere at flytte data mellem processorer, hovedhukommelse og eksterne grænseflader. Ifølge forskerne, OMEN led også af en udtalt flaskehals i kommunikationen, hvilket begrænsede ydeevnen. "Softwaren bruges allerede i halvlederindustrien, men der er betydelig plads til forbedringer med hensyn til dets numeriske algoritmer og parallelisering, " siger Luisier.

Indtil nu, paralleliseringen af ​​OMEN blev designet i henhold til fysikken i det elektrotermiske problem, som Luisier forklarer. Nu, Ph.D. studerende Alexandros Ziogas og postdoc Tal Ben-Nun - der arbejder under Hoefler, leder af Scalable Parallel Computing Laboratory ved ETH Zürich – har ikke set på fysikken, men snarere på afhængighederne mellem dataene. De omorganiserede computeroperationerne i henhold til disse afhængigheder, effektivt uden at tage hensyn til den underliggende fysik. Ved optimering af koden, de havde hjælp fra to af de mest kraftfulde supercomputere i verden - "Piz Daint" ved Swiss National Supercomputing Center (CSCS) og "Summit" ved Oak Ridge National Laboratory i USA, sidstnævnte er den hurtigste supercomputer i verden. Ifølge forskerne, den resulterende kode - kaldet DaCe OMEN - producerede simuleringsresultater, der var lige så præcise som dem fra den originale OMEN-software.

For første gang, DaCe OMEN har angiveligt gjort det muligt for forskere at producere en realistisk simulering af transistorer ti gange så store, består af 10, 000 atomer, på det samme antal processorer - og op til 14 gange hurtigere end den oprindelige metode tog for 1, 000 atomer. Samlet set, DaCe OMEN er mere effektiv end OMEN i to størrelsesordener:på topmødet, det var muligt at simulere, blandt andet, en realistisk transistor op til 140 gange hurtigere med en vedvarende ydeevne på 85,45 petaflops i sekundet - og faktisk at gøre det med dobbelt præcision på 4, 560 computer noder. Dette ekstreme løft i computerhastighed har givet forskerne Gordon Bell-prisen.

Datacentreret programmering

Forskerne opnåede denne optimering ved at anvende principperne for datacentreret parallel programmering (DAPP), som er udviklet af Hoeflers forskergruppe. Her, målet er at minimere datatransport og dermed kommunikation mellem processorerne. "Denne type programmering giver os mulighed for meget præcist at bestemme, ikke kun hvor denne kommunikation kan forbedres på forskellige niveauer af programmet, men også hvordan vi kan tune specifikke computerintensive sektioner, kendt som beregningsmæssige kerner, inden for beregningen for en enkelt stat, " siger Ben-Nun. Denne tilgang på flere niveauer gør det muligt at optimere en applikation uden at skulle omskrive den hver gang.

Databevægelser er også optimeret uden at ændre den oprindelige beregning – og til enhver ønsket computerarkitektur. "Når vi optimerer koden til målarkitekturen, vi ændrer det nu kun fra præstationsingeniørens perspektiv, og ikke programmørens – dvs. forskeren, der oversætter det videnskabelige problem til kode, " siger Hoefler. Dette, han siger, fører til etableringen af ​​en meget enkel grænseflade mellem dataloger og tværfaglige programmører.

Anvendelsen af ​​DaCe OMEN har vist, at mest varme genereres nær enden af ​​nanotransistorkanalen og afsløret, hvordan den spredes derfra og påvirker hele systemet. Forskerne er overbevist om, at den nye proces til simulering af elektroniske komponenter af denne art har en række potentielle anvendelser. Et eksempel er i produktionen af ​​lithium-batterier, hvilket kan føre til nogle ubehagelige overraskelser, når de overophedes.