Tillverkad av samma element som finns i sand och täckt av intrikata mönster, mikrochips driver smartphones, förstärker apparater och underlättar driften av bilar och flygplan.
Nu utvecklar forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) datorsimuleringskoder som kommer att överträffa nuvarande simuleringstekniker och underlätta produktionen av mikrochips med hjälp av plasma, det elektriskt laddade tillståndet hos materia som också används i fusionsforskning .
Dessa koder kan hjälpa till att öka effektiviteten i tillverkningsprocessen och potentiellt stimulera renässansen för chipindustrin i USA.
"Eftersom enheter med mikrochips är viktiga för vårt dagliga liv, är hur och var de tillverkas en fråga om nationell säkerhet", säger Igor Kaganovich, en forskningsfysiker som leder lågtemperaturmodelleringsgruppen vid PPPL.
"Robusta och tillförlitliga simuleringsverktyg som exakt kan förutsäga plasmabeteende och förkorta tillverknings- och designcykeln för kiselchips kan hjälpa USA att återta en ledande roll inom detta område och behålla den i årtionden."
En PPPL-forskningsinsats innebär att minska den tid som datorer behöver för att simulera plasmareaktorer med mikrochip. Denna innovation skulle hjälpa den privata industrin att använda mer komplexa och exakta simuleringar i stor utsträckning och hjälpa deras drivkraft att sänka kostnader för mikrochips.
"Företag skulle vilja använda simuleringar för att förbättra sina processer, men de är vanligtvis beräkningsmässigt dyra", säger Andrew Tasman Powis, medförfattare till tidningen som rapporterar resultaten i Physics of Plasmas och beräkningsforskare vid PPPL. "Vi gör vårt bästa för att motverka denna trend."
Fysiker vill vanligtvis ha simuleringar för att reproducera plasma så exakt som möjligt och generera virtuella bilder som avslöjar krångligheterna i plasmabeteende med mycket fina detaljer. Den processen kräver algoritmer, program som följer en uppsättning regler, som simulerar plasma i mycket korta tidssteg och i små volymer.
Haken är att sådana detaljerade simuleringar kräver kraftfulla datorer som körs i dagar eller veckor åt gången. Den tidsramen är för lång och för dyr för företag som vill använda simuleringarna för att förbättra sina tillverkningsprocesser för mikrochips.
Forskarna grävde i plasmafysikhistoria för att hitta redan utvecklade algoritmer som kanske kan förkorta den tid som krävs för att simulera mikrochipplasma. Forskarna hittade lämpliga algoritmer från 1980-talet; När de testades visade algoritmerna en förmåga att modellera plasmasystem med mikrochip på mycket kortare tid och med endast en liten minskning av noggrannheten.
I huvudsak fann forskarna att de kunde få bra simuleringar trots att de modellerade plasmapartiklar inom större utrymmen och använde längre tidssteg.
"Den här utvecklingen är viktig eftersom den kan spara både tid och pengar för företag", säger Haomin Sun, studiens ledande forskare och en före detta doktorand vid Princeton Universitys program i plasmafysik, baserat på PPPL.
"Det betyder att med samma mängd beräkningsresurser kan du skapa fler simuleringar. Fler simuleringar gör att du inte bara kan hitta sätt att förbättra tillverkningen, utan också att lära dig mer fysik i allmänhet. Vi kan göra fler upptäckter med våra begränsade resurser. "
Relaterad forskning ledd av Powis förstärker denna möjlighet. I en artikel publicerad i Physics of Plasmas , bekräftar Powis att datorkoder kan generera exakta modeller av plasmapartiklar samtidigt som virtuella "celler" eller små volymer utrymme används som överstiger ett standardmått inom plasmafysik som kallas Debye-längden.
Denna utveckling gör att koderna i praktiken kan använda färre celler och minska behovet av beräkningstid. "Detta är goda nyheter eftersom en minskning av antalet celler kan sänka beräkningskostnaden för simuleringen och därför förbättra prestandan," sa Powis.
Algoritmerna kan simulera så kallade "kapacitivt kopplade plasmareaktorer", som skapar plasman som ingenjörer använder för att etsa smala kanaler i en wafer av kisel. Dessa små passager bildar mikrokretsen som gör att mikrochippet kan fungera.
"Vi är intresserade av att modellera den här processen så att vi kan lära oss att kontrollera plasmans egenskaper, förutsäga hur de skulle se ut i en ny maskin och sedan förutsäga etsningsegenskaperna så att vi kan förbättra processen," sa Powis.
Teamet planerar att testa algoritmerna ytterligare genom att lägga till effekterna av olika typer av vägg- och elektrodmaterial. "Vi vill fortsätta att bygga upp förtroende för dessa algoritmer så att vi kan vara säkra på att resultaten är korrekta", sa Powis.
En annan forskningsinsats fokuserar på fel som kan smyga sig in i plasmasimuleringar på grund av de inneboende begränsningarna hos själva simuleringsmetoderna, som modellerar ett mindre antal plasmapartiklar än vad som finns i verklig plasma.
"När du simulerar plasma skulle du helst vilja spåra varje enskild partikel och veta var den är hela tiden", säger Sierra Jubin, doktorand vid Princeton-programmet i plasmafysik och huvudförfattare till en artikel som rapporterar resultaten i Plasmas fysik . "Men vi har inte oändlig datorkraft, så vi kan inte göra det."
För att komma runt denna svårighet designar forskare kod som representerar miljontals partiklar som en jätte partikel. Att göra det förenklar datorns uppgift, men förstärker också interaktionen mellan de virtuella mega-partiklarna. Som ett resultat sker en förändring i andelen partiklar som rör sig med en hastighet jämfört med hur många som rör sig i en annan - en process som kallas termalisering - snabbare än den gör i naturen. I huvudsak stämmer inte simuleringen med verkligheten.
"Det här är ett problem för om vi inte tar itu med det här problemet kommer vi inte att modellera fenomenen som de faktiskt förekommer i världen," sa Jubin. "Och om vi vill veta hur många elektroner som rör sig med en viss hastighet och genererar joner eller reaktiva kemiska ämnen som interagerar med materialen som används för att göra mikrochips, kommer vi inte att få en korrekt bild."
För att kompensera för dessa beräkningsfel fann forskarna att de kunde göra megapartikelvolymerna större och mindre täta, dämpa deras interaktioner och sakta ner förändringarna i partikelhastigheter. "I själva verket sätter dessa resultat gränser för vad som är möjligt i mikrochipplasmasimuleringar, pekar på begränsningar som vi måste överväga och lägger fram några lösningar," sa Jubin.
Jubins resultat förstärker uppfattningen att nuvarande simuleringstekniker måste förbättras. Oavsett om koder som används idag kräver små volymstorlekar och tidssteg som tillsammans gör simuleringar långsammare eller för att de producerar fel baserat på beräkningskrav, behöver forskare nya lösningar. "Detta är faktiskt ett paradigmskifte på området," sa Kaganovich, "och PPPL leder vägen."
Teamet inkluderade forskare från Princeton University, Swiss Plasma Center vid Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Indiens Birla Institute of Technology and Science, Indiens Homi Bhabha National Institute, University of Alberta i Edmonton, Applied Materials, Inc. och Kinas Sino -Franska institutet för kärnteknik och kärnteknik.
Mer information: Sierra Jubin et al, Numerisk termalisering i 2D PIC-simuleringar:Praktiska uppskattningar för plasmasimuleringar vid låga temperaturer, Physics of Plasmas (2024). DOI:10.1063/5.0180421
A. T. Powis et al, Noggrannhet av den explicita energibesparande partikel-i-cell-metoden för underupplösta simuleringar av kapacitivt kopplade plasmaurladdningar, Physics of Plasmas (2024). DOI:10.1063/5.0174168
Haomin Sun et al, Direkta implicita och explicita energibesparande partikel-i-cell-metoder för modellering av kapacitivt kopplade plasmaenheter, Physics of Plasmas (2023). DOI:10.1063/5.0160853
Journalinformation: Plasmas fysik
Tillhandahålls av Princeton Plasma Physics Laboratory
