Distribuzione spaziale della corrente di elettroni che fluisce attraverso un transistor ad effetto di campo a nanofili a tutto tondo con gate di silicio composto da 55, 488 atomi. Alla struttura viene applicata una tensione (V). La metà dello strato di ossido viene rimossa per far luce sull'interno del transistor dove gli atomi sono colorati in base alla corrente che trasportano:verde significa assenza di corrente, mentre il rosso indica un'alta concentrazione.
I ricercatori dell'ETH di Zurigo stanno utilizzando il supercomputer più veloce d'America per ottenere enormi vantaggi nella comprensione dei più piccoli dispositivi elettronici.
Il gruppo, guidato da Mathieu Luisier, si concentra sull'ulteriore sviluppo della prima linea della ricerca elettronica - simulando e comprendendo meglio componenti su scala nanometrica come transistor o elettrodi di batterie le cui regioni attive possono essere dell'ordine di un miliardesimo di metro, o fino a quando le tue unghie crescono in un secondo.
Sebbene le scale degli oggetti indagati siano piccole, il team ha fatto grandi progressi verso codici di calcolo più efficienti. La sua ricerca è stata selezionata come finalista per il Gordon Bell Prize della Association of Computing Machinery di quest'anno, uno dei premi più prestigiosi nel supercalcolo.
La presentazione del premio del team è il risultato di una ricerca condotta sul supercomputer Cray XK7 Titan dell'Oak Ridge Leadership Computing Facility. L'OLCF è una struttura per gli utenti dell'Ufficio della scienza del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti situata presso l'Oak Ridge National Laboratory.
computer portatili, i telefoni cellulari e altri dispositivi elettronici stanno diventando più economici e più accessibili, diventando anche sempre più sofisticati. Questi progressi sono in gran parte dovuti alle dimensioni sempre più ridotte dei loro componenti elettronici.
Però, lo sviluppo di hardware di nuova generazione ora richiede a scienziati e ingegneri di comprendere le interazioni dei materiali su scale di tempo e dimensioni estremamente ridotte, portando i ricercatori ad aumentare l'esperimento con la simulazione.
"Il nostro obiettivo è studiare dispositivi su scala nanometrica, come i nanotransistor, batterie o una varietà di altri nuovi dispositivi come memorie per computer, interruttori ottici o diodi emettitori di luce a livello atomico, " ha detto Luisier. "Se vuoi rendere queste simulazioni accurate e veramente predittive, devi usare il cosiddetto ab initio, o dai primi principi, metodi di simulazione".
Essenzialmente, le simulazioni ab initio consentono ai ricercatori di modellare da zero qualsiasi sistema atomico senza la necessità di parametri del materiale precalibrati. Certo, raggiungere un tale livello di precisione non è gratuito. Il prezzo è un aumento di mille volte della complessità computazionale rispetto a, Per esempio, approcci semiempirici che utilizzano input da esperimenti per semplificare il calcolo.
I ricercatori che studiano la nanoelettronica devono quindi in genere fare un compromesso tra la simulazione di un sistema di dimensioni realistiche (almeno 10, 000 atomi) e utilizzando metodi ab initio altamente accurati.
A questo punto, anche se, la maggior parte dei pacchetti software ab initio si concentra sul calcolo delle proprietà dei materiali come i cristalli e le strutture elettroniche, vibrazioni reticolari, o diagrammi di fase e non tengono conto delle reali condizioni operative - sotto l'applicazione di tensione esterna, una corrente di elettroni inizia a fluire attraverso nanostrutture attive. Questi fenomeni di trasporto sono molto impegnativi dal punto di vista computazionale e richiedono un approccio di modellazione dedicato.
Luisier e il suo team, perciò, ha sviluppato un metodo per eseguire simulazioni di trasporto ab initio sufficientemente grandi da studiare nanostrutture con dimensioni rilevanti per l'industria e i gruppi sperimentali. Avevano solo bisogno della macchina giusta per testarlo.
Due codici partner, un obiettivo
I circuiti integrati odierni sono composti fino a diversi miliardi di transistor stipati fittamente su un'area che non supera un paio di centimetri quadrati. Con la nanoelettronica, uno potrebbe contenere migliaia di nanotransistor attualmente prodotti nella larghezza di un capello umano. Questi sistemi sono così piccoli che i ricercatori devono ricorrere alla teoria quantistica per comprenderne le proprietà.
Il team utilizza due diversi pacchetti software per svolgere questo compito. Il codice comunitario CP2K, sviluppato e gestito dal professore dell'ETH di Zurigo Joost VandeVondele, fornisce la descrizione ab initio delle nanostrutture, mentre il codice OMEN del gruppo di Luisier esegue le simulazioni di trasporto quantistico basate sugli input di CP2K. Combinando CP2K e OMEN, il team può ottenere una prospettiva "materiale + dispositivo" unica dei sistemi atomici.
Luisier ha spiegato che ci sono due sfide principali per la simulazione del trasporto attraverso componenti nanoelettronici. Primo, i ricercatori devono calcolare quelle che chiamano condizioni al contorno aperte che accoppiano la simulazione con l'ambiente circostante e consentono i flussi di corrente. Come secondo passo, devono incorporare i blocchi di confine creati nell'hamiltoniano, una matrice che contiene tutte le interazioni interatomiche che caratterizzano il dispositivo, e infine devono risolvere il sistema di equazioni lineare sparso risultante. Utilizzando questo approccio, le tipiche simulazioni all'avanguardia sul campo possono modellare con precisione intorno a 1, 000 atomi.
Con l'avvento dei supercomputer ibridi, il team si è reso conto di aver bisogno di un nuovo approccio di simulazione in grado di sfruttare il potenziale delle CPU e degli acceleratori GPU. Tenendo presente questa idea, due dottorandi del gruppo di Luisier, Sascha Bruck e Mauro Calderara, implementato uno schema originale che consente al team di calcolare simultaneamente le condizioni al contorno aperte sulle CPU e creare la matrice hamiltoniana appropriata sulle GPU prima di una breve fase di post-elaborazione, quindi combinare entrambi i risultati. Questo tour de force non solo ha aiutato a scaricare il lavoro sulle GPU, ma ha anche affrontato il problema su due fronti contemporaneamente, riducendo notevolmente i tempi di simulazione.
"Ciò che ci ha permesso di essere molto più veloci e di trattare strutture di dispositivi davvero grandi è che abbiamo trovato un modo per eseguire in modo efficiente la maggior parte del lavoro, risolvendo il sistema lineare, sui nodi di calcolo di Titano, utilizzando GPU estremamente veloci, pur mantenendo le CPU impegnate nel calcolo delle condizioni al contorno allo stesso tempo, " ha detto Luisier.
Il team ha prima testato il suo metodo sulla macchina Piz Daint del Centro nazionale di supercalcolo svizzero, crescendo la simulazione da 1, 000 atomi a 15, 000. Per Luisier, questo è stato estremamente incoraggiante, ma credeva che la squadra potesse fare di più.
Dopo queste esecuzioni iniziali e di successo, la squadra ha ricevuto del tempo su Titano come parte del programma Discrezionale del direttore. Passando dal Piz Daint, con i suoi 5, più di 000 nodi di calcolo, a Titano - con un massimo di 18, 000 nodi - ha permesso al team di eseguire una simulazione con 50, 000 atomi, battendo facilmente il benchmark precedente. Luisier ha anche notato che arrivare a 50, La simulazione di 000 atomi non ha nemmeno utilizzato tutta la potenza di supercalcolo di Titano, il che significa che le simulazioni più grandi non sono solo teoriche, ma probabilmente, nel futuro prossimo.
Trovando un metodo per eseguire calcoli di trasporto quantistico ab initio su un sistema così grande, il team è il primo a eseguire simulazioni che possono corrispondere a esperimenti sul campo, potenzialmente contribuendo alla ricerca e allo sviluppo di dispositivi elettronici di prossima generazione.
"Se hai solo 1, 000 atomi, non puoi davvero simulare un dispositivo reale, "Ha detto Luisier. "Ciò richiederebbe la simulazione di circa 10 volte di più. Con il nuovo metodo, possiamo davvero modellare qualcosa che assomigli a un transistor o a un'unità di memorizzazione a livello ab initio. E i nanofili che stiamo studiando sono già stati fabbricati circa 10 anni fa, quando gli sperimentali non erano così avanzati nella produzione di piccole strutture come lo sono ora. Quindi il massimo di ciò che possiamo simulare ora va oltre le strutture più piccole che le persone possono effettivamente produrre oggi in laboratorio".
Sebbene le prestazioni sostenute dei codici siano impressionanti -15 petaflop, o 15 quadrilioni di calcoli al secondo - Luisier ha sottolineato che queste simulazioni non sono state eseguite per stabilire nuovi parametri di riferimento delle prestazioni computazionali sul campo, ma piuttosto dovessero approfondire la ricerca.
"Questo è davvero un codice di produzione, un codice che viene utilizzato quotidianamente, " Ha detto Luisier. "Ciò che esce da queste esecuzioni non è solo FLOPS su un computer:questi risultati vengono utilizzati in collaborazione con gli sperimentatori dell'ETH di Zurigo e all'estero. Ci sono un paio di gruppi molto interessati ai risultati perché possono spiegare ciò che questi gruppi osservano nei loro dispositivi sperimentali, non solo nei nanotransistor ma anche nei componenti che emettono luce o nelle celle solari a punti quantici, per citare solo alcuni esempi».
