Fujitsu Laboratories annuncia di aver simulato con successo le proprietà elettriche di un 3, nano dispositivo da 000 atomi – un aumento di tre volte rispetto agli sforzi precedenti – utilizzando un supercomputer. A livello di nanoscala, anche piccole differenze nella configurazione atomica locale possono avere un impatto importante sulle proprietà elettriche di un dispositivo, richiedendo il metodo di calcolo dei primi principi da utilizzare per calcolare accuratamente le proprietà fisiche a livello atomico. Però, quando si applica questo metodo alla previsione delle proprietà elettriche, i massicci calcoli coinvolti limitano queste previsioni all'ordine di 1, 000 atomi.

Fujitsu Laboratories ha ora sviluppato una tecnica di calcolo che riduce i requisiti di memoria pur mantenendo la precisione. L'applicazione su una scala di 3000 atomi è stata resa possibile attraverso un supercomputer che utilizza un'elaborazione massicciamente parallela. Questa tecnica consente il calcolo delle proprietà elettriche, non solo dei singoli componenti del nano dispositivo, ma delle interazioni tra questi componenti. Le aspettative sono che questo sviluppo contribuirà a implementazioni pratiche più rapide dei nanodispositivi. Questa simulazione ha utilizzato una tecnologia di elaborazione parallela massiccia sviluppata dal Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) e dalla Computational Material Science Initiative (CMSI).

I dettagli di questa tecnologia vengono pubblicati nell'edizione del 14 gennaio del Fisica Applicata Express (APICE), il giornale delle lettere della Japan Society of Applied Physics.

Sfondo

Poiché i dispositivi al silicio come LSI sono diventati sempre più compatti, c'è stato un elevato livello sia di velocità operativa che di efficienza energetica. Negli ultimi anni, però, con i limiti della miniaturizzazione che continuano ad avvicinarsi, è diventata una sfida crescente ottenere prestazioni aggiuntive dai chip. Ciò ha portato a fervidi sforzi per sviluppare dispositivi realizzati con nuovi materiali e nuovi tipi di strutture.

La simulazione accurata delle proprietà elettriche di un nano dispositivo su un computer anziché tramite la sperimentazione può rendere il processo di sviluppo più rapido e meno costoso. Un modo efficace per farlo è derivare le proprietà elettriche dal metodo dei primi principi, che calcola accuratamente il comportamento di ciascun atomo. Ma poiché il metodo dei primi principi richiede un'enorme quantità di calcoli, applicarlo alla previsione delle proprietà elettriche è limitato ai modelli in scala 1, 000 atomi (Figura 1). Su questa scala, possono essere calcolate solo le regioni canale, le vie per l'elettricità. Una simulazione che includesse interazioni con migliaia di elettrodi e isolanti adiacenti, che si ritiene influenzino notevolmente le proprietà elettriche, è stata impossibile.

Fujitsu Laboratories ha sviluppato una tecnica computazionale che riduce i requisiti di memoria preservando la precisione. Insieme all'uso di un supercomputer massicciamente parallelo, questo ha permesso di ricavare le proprietà elettriche di un 3, Nano dispositivo da 000 atomi che utilizza il metodo dei primi principi. Simulazione delle proprietà elettriche di un 3, Il nano dispositivo da 000 atomi è stato realizzato in circa 20 ore.

La simulazione utilizza un insieme di funzioni di base che rappresentano il flusso di elettricità. Tipicamente, l'aumento del numero delle funzioni di base migliora la precisione nelle approssimazioni della corrente elettrica effettiva, ma aumenta anche la quantità di memoria utilizzata per il calcolo. Uno studio dettagliato di questi risultati, dal punto di vista delle scienze fisiche, ha portato alla scoperta di un insieme di funzioni di base che mantiene la memoria richiesta a meno della memoria disponibile (Figura 2).

Nell'effettuare le simulazioni, I laboratori Fujitsu hanno utilizzato OpenMX, software per calcoli con principi primi che utilizza la tecnologia massicciamente parallela sviluppata da JAIST e dalla CMS Initiative. Questo programma utilizzava una tecnica di partizionamento dell'atomo (Figura 3) per limitare le richieste di memoria e comunicazioni, e una tecnica di partizionamento spaziale (Figura 4) per accelerare i calcoli veloci della trasformata di Fourier, che sono una parte fondamentale dei calcoli dai primi principi.

Questa combinazione di tecniche ha permesso di simulare le proprietà elettriche di un nano dispositivo con 3, 030 atomi, comprendente sia grafene che uno strato isolante, in circa 20 ore su un supercomputer. I risultati della simulazione con e senza lo strato isolante sono mostrati nella Figura 5.

Questa tecnologia, essere in grado di modellare le proprietà elettriche di un 3, dispositivo nano da 000 atomi, è stato utilizzato per scoprire le proprietà elettriche di un nano dispositivo che includeva interazioni con il suo ambiente, compiere un passo significativo verso la progettazione di nuovi nano dispositivi.

Basato sullo sviluppo di una tecnologia di elaborazione parallela sempre più massiccia che ha tenuto il passo con l'aumento delle prestazioni dei computer, Fujitsu sta perseguendo calcoli su larga scala e più efficienti. Entro i prossimi anni, Fujitsu mira a realizzare la progettazione di nano dispositivi tramite computer attraverso simulazioni totali di nano dispositivi (sulla scala di 10, 000 atomi).