Due gruppi di ricerca dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un metodo in grado di simulare in modo realistico dispositivi di nanoelettronica e le loro proprietà, rapido ed efficiente. Ciò offre un raggio di speranza sia per l'industria che per gli operatori dei data center, entrambi stanno lottando con il (surriscaldamento) che viene fornito con transistor sempre più piccoli e potenti.

I produttori di chip stanno già assemblando transistor che misurano solo pochi nanometri di diametro. Sono molto più piccoli di un capello umano, il cui diametro è di circa 20, 000 nanometri nel caso di filamenti più fini. Ora, la domanda di supercomputer sempre più potenti sta spingendo l'industria a sviluppare componenti ancora più piccoli e allo stesso tempo più potenti.

Però, oltre alle leggi fisiche che rendono più difficile la costruzione di transistor ultra-scalati, il problema della dissipazione del calore sempre crescente sta mettendo i produttori in una situazione difficile, in parte a causa dei forti aumenti dei requisiti di raffreddamento e della conseguente domanda di energia. Il raffreddamento dei computer rappresenta già fino al 40% del consumo energetico in alcuni data center, come riportano i gruppi di ricerca guidati dai professori dell'ETH Torsten Hoefler e Mathieu Luisier nel loro ultimo studio, che sperano consentirà di sviluppare un approccio migliore. Con il loro studio, i ricercatori hanno ricevuto l'ACM Gordon Bell Prize, il premio più prestigioso nel campo dei supercomputer, che viene assegnato ogni anno alla conferenza sul supercalcolo SC negli Stati Uniti.

Per rendere più efficienti i nanotransistor di oggi, il gruppo di ricerca guidato da Luisier dell'Integrated Systems Laboratory (IIS) dell'ETH di Zurigo simula i transistor utilizzando un software chiamato OMEN, che è un cosiddetto simulatore di trasporto quantistico.

OMEN esegue i suoi calcoli sulla base della cosiddetta teoria del funzionale della densità, consentendo una simulazione realistica di transistor in risoluzione atomica ea livello quantomeccanico. Questa simulazione visualizza come la corrente elettrica scorre attraverso il nanotransistor e come gli elettroni interagiscono con le vibrazioni dei cristalli, consentendo così ai ricercatori di identificare con precisione i luoghi in cui viene prodotto il calore. A sua volta, OMEN fornisce anche utili indizi su dove ci sono margini di miglioramento.

Miglioramento dei transistor utilizzando simulazioni ottimizzate

Fino ad ora, i metodi di programmazione convenzionali e i supercomputer consentivano solo ai ricercatori di simulare la dissipazione del calore in transistor costituiti da circa 1, 000 atomi, poiché la comunicazione dei dati tra i processori e i requisiti di memoria rendeva impossibile produrre una simulazione realistica di oggetti più grandi.

La maggior parte dei programmi per computer non trascorre la maggior parte del tempo a eseguire operazioni di elaborazione, ma piuttosto lo spostamento di dati tra processori, memoria principale e interfacce esterne. Secondo gli scienziati, OMEN ha anche sofferto di un pronunciato collo di bottiglia nella comunicazione, che ha ridotto le prestazioni. "Il software è già utilizzato nell'industria dei semiconduttori, ma c'è un notevole margine di miglioramento in termini di algoritmi numerici e parallelizzazione, "dice Luisier.

Fino ad ora, la parallelizzazione di OMEN è stata progettata secondo la fisica del problema elettrotermico, come spiega Luisier. Ora, dottorato di ricerca lo studente Alexandros Ziogas e il postdoc Tal Ben-Nun, che lavorava sotto Hoefler, capo dello Scalable Parallel Computing Laboratory dell'ETH di Zurigo, non hanno esaminato la fisica ma piuttosto le dipendenze tra i dati. Hanno riorganizzato le operazioni di calcolo secondo queste dipendenze, efficacemente senza considerare la fisica sottostante. Nell'ottimizzare il codice, hanno avuto l'aiuto di due dei più potenti supercomputer del mondo:"Piz Daint" presso lo Swiss National Supercomputing Center (CSCS) e "Summit" presso l'Oak Ridge National Laboratory negli Stati Uniti, quest'ultimo è il supercomputer più veloce del mondo. Secondo i ricercatori, il codice risultante, denominato DaCe OMEN, ha prodotto risultati di simulazione precisi quanto quelli del software OMEN originale.

Per la prima volta, Secondo quanto riferito, DaCe OMEN ha permesso ai ricercatori di produrre una simulazione realistica di transistor dieci volte più grandi, composto da 10, 000 atomi, sullo stesso numero di processori e fino a 14 volte più veloce del metodo originale per 1, 000 atomi. Globale, DaCe OMEN è più efficiente di OMEN di due ordini di grandezza:su Summit, è stato possibile simulare, tra l'altro, un transistor realistico fino a 140 volte più veloce con una prestazione sostenuta di 85,45 petaflop al secondo, e in effetti per farlo in doppia precisione su 4, 560 nodi informatici. Questo aumento estremo della velocità di calcolo ha fatto guadagnare ai ricercatori il Gordon Bell Prize.

Programmazione incentrata sui dati

Gli scienziati hanno ottenuto questa ottimizzazione applicando i principi della programmazione parallela incentrata sui dati (DAPP), che è stato sviluppato dal gruppo di ricerca di Hoefler. Qui, lo scopo è ridurre al minimo il trasporto dei dati e quindi la comunicazione tra i processori. "Questo tipo di programmazione ci consente di determinare in modo molto accurato non solo dove questa comunicazione può essere migliorata a vari livelli del programma, ma anche come possiamo mettere a punto specifiche sezioni ad alta intensità di calcolo, noti come kernel computazionali, all'interno del calcolo per un singolo stato, " dice Ben-Nun. Questo approccio multilivello consente di ottimizzare un'applicazione senza doverla riscrivere ogni volta.

Anche i movimenti dei dati sono ottimizzati senza modificare il calcolo originale e per qualsiasi architettura del computer desiderata. "Quando ottimizziamo il codice per l'architettura di destinazione, ora lo stiamo cambiando solo dal punto di vista del tecnico delle prestazioni, e non quello del programmatore, cioè il ricercatore che traduce il problema scientifico in codice, " dice Hoefler. Questo, lui dice, porta alla creazione di un'interfaccia molto semplice tra scienziati informatici e programmatori interdisciplinari.

L'applicazione di DaCe OMEN ha dimostrato che la maggior parte del calore viene generata vicino alla fine del canale del nanotransistor e ha rivelato come si diffonde da lì e colpisce l'intero sistema. Gli scienziati sono convinti che il nuovo processo per la simulazione di componenti elettronici di questo tipo abbia una varietà di potenziali applicazioni. Un esempio è nella produzione di batterie al litio, che possono portare a spiacevoli sorprese quando si surriscaldano.