Visualizzazioni di futuri nano-transistor, in senso orario partendo da in alto a sinistra:a) L'immagine mostra l'organizzazione degli atomi in un transistor Ultra Thin Body (UTB) e la quantità di potenziale elettrico lungo il transistor. b) Questa è una visualizzazione dell'organizzazione degli atomi in un materiale puro. Ogni atomo (in rosso) è circondato da un guscio grigio, che rappresenta il campo di interazione di ciascun atomo. c) I punti quantici sono particelle su scala nanometrica, con diametri circa 1000 volte inferiori al diametro dei capelli umani. Questa immagine mostra l'entità delle forze di deformazione sulla superficie del nucleo di un punto quantico. d) Il nucleo di un punto quantico può avere forme e composizione diverse. Entrambi questi fattori influenzano i livelli di energia all'interno di un punto quantico. Questa cifra in azzurro rappresenta l'intensità di un livello di energia all'interno di un punto quantico con un nucleo conico (in rosso). Credito:Institute for Nanoelectronic Modeling (iNEMO) guidato da Gerhard Klimeck
Un incessante sforzo globale per ridurre i transistor ha reso i computer sempre più veloci, più economico e più piccolo negli ultimi 40 anni. Questo sforzo ha consentito ai produttori di chip di raddoppiare il numero di transistor su un chip all'incirca ogni 18 mesi, una tendenza denominata legge di Moore. Nel processo, l'industria dei semiconduttori degli Stati Uniti è diventata una delle più grandi industrie di esportazione della nazione, valutato più di 65 miliardi di dollari l'anno.
La base del successo di questo settore è stata lo sviluppo di chip progressivamente più capaci. Però, secondo l'International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), che identifica le sfide e le esigenze tecnologiche per l'industria dei semiconduttori nei prossimi 15 anni, i segnali indicano un'interruzione di queste tendenze di lunga data.
Le dimensioni dei transistor continueranno a diminuire per un decennio, raggiungendo circa 5 nanometri di lunghezza e 1 nanometro (o circa 5 atomi) di larghezza nella sua regione attiva critica. Oltre quel punto, quello che succede è più difficile da prevedere.
A questa nanoscala, i nuovi fenomeni hanno la precedenza su quelli che dominano il macromondo. Gli effetti quantistici come il tunneling e il disordine atomico dominano le caratteristiche di questi dispositivi su scala nanometrica. È necessario rispondere a domande fondamentali su come i vari materiali e configurazioni si comportano su questa scala.
"Ulteriori miglioramenti in queste dimensioni arriveranno solo attraverso un design del dispositivo dettagliato e ottimizzato e una migliore integrazione, " disse Gerhard Klimeck, un professore di ingegneria elettrica e informatica alla Purdue University e direttore del Network for Computational Nanotechnology lì.
È alla scala degli atomi guidati dalla nanoscala e dalle interazioni quantistiche che Klimeck lavora. Dirige un team che ha sviluppato uno dei principali strumenti software utilizzati dagli accademici, aziende di semiconduttori e studenti per prevedere il comportamento futuro dei transistor su nanoscala.
Chiamato NEMO5 (la quinta edizione degli strumenti di modellazione NanoElectronics), il software simula il multiscala, fenomeni multifisici che si verificano quando una carica elettrica passa attraverso un transistor largo pochi atomi. Così facendo, NEMO aiuta i ricercatori a progettare le future generazioni di dispositivi nanoelettronici, inclusi transistor e punti quantici, anche prima che possano essere prodotti fisicamente, e predice le prestazioni del dispositivo e i fenomeni che i ricercatori non potrebbero altrimenti esplorare.
"Non esistono strumenti di progettazione assistita da computer in grado di modellare questi dispositivi in senso atomistico, " ha detto Klimeck. "Tutti gli strumenti standard di progettazione di dispositivi a semiconduttore che sono là fuori presuppongono che la materia sia liscia e continua e ignorano l'esistenza degli atomi".
Questa immagine rappresenta una rappresentazione interna di un transistor Ultra Thin Body (UTB). La posizione degli atomi e dei loro legami chimici sono presentati insieme alla quantità di potenziale elettrico nel transistor. Il potenziale elettrico può essere visto come superfici colorate sovrapposte alla struttura. Credito:Institute for Nanoelectronic Modeling (iNEMO) guidato da Gerhard Klimeck
Ma gli atomi esistono, e il loro comportamento deve essere preso in considerazione quando si progettano dispositivi con solo pochi atomi di diametro.
"Quello che stiamo costruendo è uno strumento ingegneristico che verrà utilizzato nella comprensione e nella progettazione di dispositivi che si trovano alla fine della Legge di Moore, " ha osservato Klimeck.
Con un premio Petascale Computing Resource Allocation della National Science Foundation, Il gruppo di Klimeck sta utilizzando il supercomputer Blue Waters presso il National Center for Supercomputing Applications per studiare i limiti delle attuali tecnologie dei semiconduttori e le possibilità di quelle future. Blue Waters è una delle macchine più potenti al mondo per la simulazione, modellazione e analisi dei dati.
Mehdi Salmani e SungGeun Kim, già Ph.D. studenti del gruppo di Klimeck, ha utilizzato Blue Waters per modellare vari dispositivi e configurazioni per l'International Technology Roadmap for Semiconductors. Hanno esplorato se i dispositivi sempre più piccoli che dovrebbero essere disponibili nei prossimi 15 anni sono fisicamente fattibili. Hanno anche determinato l'impatto che gli effetti quantistici come la dispersione e il confinamento potrebbero avere sulle prestazioni quando i dispositivi si riducono a soglie critiche.
Le simulazioni del team di Klimeck hanno rilevato importanti deviazioni nelle caratteristiche dei dispositivi quando vengono ridimensionati, sollevando domande sui futuri progetti di dispositivi. I loro risultati sono stati inclusi nella roadmap dell'ITRS nel 2014 e stanno aiutando a guidare la direzione di molte delle più grandi aziende di semiconduttori nella loro pianificazione e ricerca e sviluppo futuri.
Il team di Klimeck ha anche utilizzato Blue Waters per esplorare materiali alternativi che potrebbero sostituire il silicio nei dispositivi futuri. Questi includono arseniuro di indio e antimoniuro di indio, così come materiali esotici come il grafene, nanotubi di carbonio e isolanti topologici per computer con spin quantistico.
Una mappa dell'utilizzo degli strumenti di modellazione di nanosimulazione NEMO e OMEN. Credito:Institute for Nanoelectronic Modeling (iNEMO) guidato da Gerhard Klimeck
I risultati delle loro simulazioni sono stati pubblicati in Nanotecnologia della natura nell'aprile 2014 e nel Lettere di fisica applicata nell'agosto 2014.
NEMO5, e i suoi predecessori OMEN e NEMO3D, potenza nove applicazioni su nanoHUB, un sito web che ospita una raccolta crescente di programmi di simulazione per la modellazione di fenomeni su scala nanometrica. Da quando sono stati rilasciati quasi 15 anni fa, più di 19, 000 ricercatori hanno eseguito oltre 367, 000 simulazioni utilizzando la famiglia di strumenti NEMO. NEMO e OMEN sono stati utilizzati in 381 classi presso istituzioni di tutto il mondo e sono stati citati in 84 articoli della letteratura scientifica.
"La disponibilità pubblica di tali strumenti supporta la rapida innovazione e accelera l'adozione di tecnologie dirompenti nei dispositivi high-tech di domani, "ha detto Keith Roper, che sovrintende al programma Network for Computational Nanotechnology presso la direzione Engineering presso NSF.
La combinazione di strumenti di modellazione ad alte prestazioni come NEMO5 con un sistema di modellazione ad alte prestazioni come Blue Waters consente a Klimeck e a centinaia di altri ricercatori di porre domande e trovare soluzioni ben oltre quelle che avrebbero potuto affrontare in passato.
"Il problema tipico che dobbiamo gestire ha forse 100, 000 a un milione di atomi, "Klimeck ha detto. "Dieci anni fa la gente mi avrebbe detto che non è risolvibile. Non puoi avere un computer abbastanza grande. Ora che il sistema petascale Blue Waters è disponibile, possiamo risolvere questo tipo di problemi e aiutare a progettare semiconduttori che consentiranno una continua crescita tecnologica".
