Realizzati con lo stesso elemento presente nella sabbia e ricoperti da motivi intricati, i microchip alimentano gli smartphone, potenziano gli elettrodomestici e aiutano il funzionamento di automobili e aeroplani.
Ora, gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) stanno sviluppando codici di simulazione computerizzata che supereranno le attuali tecniche di simulazione e aiuteranno la produzione di microchip utilizzando il plasma, lo stato elettricamente carico della materia utilizzato anche nella ricerca sulla fusione. .
Questi codici potrebbero contribuire ad aumentare l'efficienza del processo di produzione e potenzialmente stimolare la rinascita dell'industria dei chip negli Stati Uniti.
"Poiché i dispositivi dotati di microchip sono essenziali per la nostra vita quotidiana, come e dove vengono realizzati è una questione di sicurezza nazionale", ha affermato Igor Kaganovich, uno dei principali fisici ricercatori che guida il gruppo di modellizzazione delle basse temperature presso PPPL.
"Strumenti di simulazione robusti e affidabili in grado di prevedere con precisione il comportamento del plasma e di abbreviare il ciclo di produzione e progettazione dei chip di silicio potrebbero aiutare gli Stati Uniti a riconquistare un ruolo di leadership in questo campo e a mantenerlo per decenni."
Uno degli sforzi di ricerca del PPPL prevede la riduzione del tempo necessario ai computer per simulare i reattori al plasma con microchip. Questa innovazione aiuterebbe l'industria privata a utilizzare simulazioni più complesse e accurate su larga scala e aiuterebbe la loro spinta a ridurre i costi dei microchip.
"Le aziende vorrebbero utilizzare le simulazioni per migliorare i propri processi, ma in genere sono costose dal punto di vista computazionale", ha affermato Andrew Tasman Powis, coautore dell'articolo che riporta i risultati in Physics of Plasmas e associato di ricerca computazionale presso PPPL. "Stiamo facendo del nostro meglio per contrastare questa tendenza."
I fisici di solito vogliono che le simulazioni riproducano il plasma nel modo più accurato possibile, generando immagini virtuali che rivelino le complessità del comportamento del plasma con dettagli molto fini. Questo processo richiede algoritmi, programmi che seguono una serie di regole, che simulano il plasma in incrementi di tempo molto brevi e in piccoli volumi di spazio.
Il problema è che simulazioni così dettagliate richiedono computer potenti in funzione per giorni o settimane alla volta. Questo lasso di tempo è troppo lungo e costoso per le aziende che desiderano utilizzare le simulazioni per migliorare i propri processi di produzione di microchip.
I ricercatori hanno approfondito la storia della fisica del plasma per trovare algoritmi già sviluppati che potrebbero essere in grado di ridurre il tempo necessario per simulare il plasma con microchip. I ricercatori hanno trovato algoritmi adatti degli anni '80; una volta testati, gli algoritmi hanno dimostrato la capacità di modellare sistemi al plasma con microchip in molto meno tempo e con solo una piccola riduzione della precisione.
In sostanza, i ricercatori hanno scoperto che potevano ottenere buone simulazioni anche modellando le particelle di plasma all'interno di spazi più ampi e utilizzando incrementi temporali più lunghi.
"Questo sviluppo è importante perché potrebbe far risparmiare alle aziende tempo e denaro", ha affermato Haomin Sun, ricercatore capo dello studio ed ex studente laureato del Programma in Fisica del Plasma dell'Università di Princeton, con sede presso PPPL.
"Ciò significa che con la stessa quantità di risorse computazionali è possibile creare più simulazioni. Più simulazioni non solo consentono di trovare modi per migliorare la produzione, ma anche di apprendere più fisica in generale. Possiamo fare più scoperte utilizzando le nostre risorse limitate. "
La ricerca correlata condotta da Powis rafforza questa possibilità. In un articolo pubblicato su Physics of Plasmas , Powis conferma che i codici informatici possono generare modelli accurati di particelle di plasma utilizzando "celle" virtuali o piccoli volumi di spazio che superano una misura standard nella fisica del plasma nota come lunghezza di Debye.
Questo sviluppo significa che i codici possono effettivamente utilizzare meno celle e ridurre la necessità di tempo di elaborazione. "Questa è una buona notizia perché la riduzione del numero di celle potrebbe ridurre il costo computazionale della simulazione e quindi migliorare le prestazioni", ha affermato Powis.
Gli algoritmi possono simulare i cosiddetti “reattori al plasma accoppiati capacitivamente”, che creano il plasma che gli ingegneri utilizzano per incidere canali stretti in un wafer di silicio. Questi minuscoli passaggi formano il microcircuito che consente al microchip di funzionare.
"Siamo interessati a modellare questo processo in modo da poter imparare come controllare le proprietà del plasma, prevedere come sarebbero in una nuova macchina e quindi prevedere le proprietà di incisione in modo da poter migliorare il processo", ha affermato Powis. /P>
Il team intende testare ulteriormente gli algoritmi aggiungendo gli effetti di diversi tipi di materiali per pareti ed elettrodi. "Vogliamo continuare a rafforzare la fiducia in questi algoritmi in modo da poter essere sicuri che i risultati siano accurati", ha affermato Powis.
Un altro sforzo di ricerca si concentra sugli errori che possono insinuarsi nelle simulazioni del plasma a causa delle limitazioni intrinseche dei metodi di simulazione stessi, che modellano un numero di particelle di plasma inferiore a quello presente nel plasma reale.
"Quando simuli il plasma, idealmente vorresti tracciare ogni singola particella e sapere dove si trova in ogni momento", ha detto Sierra Jubin, studentessa laureata al Princeton Program in Plasma Physics e autrice principale di un articolo che riporta i risultati in Fisica dei plasma . "Ma non abbiamo una potenza di calcolo infinita, quindi non possiamo farlo."
Per aggirare questa difficoltà, i ricercatori progettano un codice per rappresentare milioni di particelle come un unico gigante particella. Ciò semplifica il compito del computer, ma amplifica anche le interazioni delle megaparticelle virtuali. Di conseguenza, un cambiamento nella proporzione di particelle che si muovono a una velocità rispetto a quante si muovono a un’altra – un processo noto come termalizzazione – avviene più rapidamente di quanto non avvenga in natura. In sostanza, la simulazione non corrisponde alla realtà.
"Questo è un problema perché se non affrontiamo questo problema, non riusciremo a modellare i fenomeni così come si verificano effettivamente nel mondo", ha detto Jubin. "E se vogliamo sapere quanti elettroni si muovono a una particolare velocità, generando ioni o specie chimiche reattive che interagiscono con i materiali utilizzati per realizzare i microchip, non otterremo un quadro accurato."
Per compensare questi errori computazionali, i ricercatori hanno scoperto che potevano rendere i volumi delle mega-particelle più grandi e meno densi, attenuando le loro interazioni e rallentando i cambiamenti nella velocità delle particelle. "In effetti, questi risultati pongono dei limiti a ciò che è possibile fare nelle simulazioni del plasma con microchip, evidenziano i vincoli che dobbiamo considerare e propongono alcune soluzioni", ha affermato Jubin.
Le scoperte di Jubin rafforzano l'idea che le attuali tecniche di simulazione debbano essere migliorate. Sia perché i codici utilizzati oggi richiedono piccole dimensioni di volume e incrementi di tempo che insieme rallentano le simulazioni, sia perché producono errori basati su requisiti computazionali, gli scienziati hanno bisogno di nuove soluzioni. "Si tratta in realtà di un cambiamento di paradigma nel settore", ha affermato Kaganovich, "e PPPL sta aprendo la strada."
Il team comprendeva ricercatori dell'Università di Princeton, dello Swiss Plasma Center dell'Ecole Polytechnique Federale di Losanna, del Birla Institute of Technology and Science in India, dell'Homi Bhabha National Institute in India, dell'Università di Alberta a Edmonton, di Applied Materials, Inc. e della cinese Sino -Istituto francese di ingegneria e tecnologia nucleare.
Ulteriori informazioni: Sierra Jubin et al, Thermalizzazione numerica nelle simulazioni PIC 2D:stime pratiche per simulazioni di plasma a bassa temperatura, Fisica dei plasmi (2024). DOI:10.1063/5.0180421
A. T. Powis et al, Accuratezza del metodo esplicito di conservazione dell'energia delle particelle nella cella per simulazioni sottorisolte di scariche di plasma accoppiate capacitivamente, Fisica dei plasmi (2024). DOI:10.1063/5.0174168
Haomin Sun et al, Metodi diretti impliciti ed espliciti di conservazione dell'energia delle particelle nella cellula per la modellazione di dispositivi al plasma accoppiati capacitivamente, Fisica dei plasmi (2023). DOI:10.1063/5.0160853
Informazioni sul giornale: Fisica dei plasma
Fornito dal Princeton Plasma Physics Laboratory
