Fujitsu Laboratories meddelar att man framgångsrikt har simulerat de elektriska egenskaperna hos en 3, 000-atoms nano-enhet – en trefaldig ökning jämfört med tidigare ansträngningar – med en superdator. På nanoskalanivå, även mindre skillnader i den lokala atomkonfigurationen kan ha stor inverkan på de elektriska egenskaperna hos en enhet, kräver att den första principen för beräkningsmetoden används för att exakt beräkna fysikaliska egenskaper på atomnivå. Dock, när den här metoden tillämpas på prognoser för elektriska egenskaper, de omfattande beräkningarna begränsar dessa prognoser till storleksordningen 1, 000 atomer.

Fujitsu Laboratories har nu utvecklat en beräkningsteknik som minskar minneskraven samtidigt som precisionen bibehålls. Applicering i 3000 atoms skala har möjliggjorts genom en superdator som använder massivt parallell bearbetning. Denna teknik möjliggör beräkning av elektriska egenskaper, inte bara av enskilda nanoenhetskomponenter, men av samspelet mellan dessa komponenter. Förväntningarna är att denna utveckling kommer att bidra till snabbare praktiska implementeringar av nanoenheter. Denna simulering använde massivt parallell datorteknik utvecklad av Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) och Computational Material Science Initiative (CMSI).

Detaljer om denna teknik publiceras i den 14 januari upplagan av Tillämpad fysik Express (APEX), brevjournalen för Japan Society of Applied Physics.

Bakgrund

I takt med att kiselanordningar som LSI har blivit allt mer kompakta, det har skett en höjd nivå av både drifthastighet och energieffektivitet. På senare år har dock, med gränserna för miniatyrisering som fortsätter att närma sig, det har blivit en allt större utmaning att pressa ut ytterligare prestanda från marker. Detta har lett till ihärdiga ansträngningar att utveckla enheter tillverkade av nya material och nya typer av strukturer.

Att simulera en nanoenhets elektriska egenskaper korrekt på en dator snarare än genom experiment kan göra utvecklingsprocessen snabbare och billigare. Ett effektivt sätt att göra detta är att härleda de elektriska egenskaperna från den första principmetoden, som exakt beräknar beteendet för varje atom. Men eftersom den första principmetoden kräver en enorm mängd beräkningar, att tillämpa den på elektriska egendomsprognoser är begränsad till modeller i skalan 1, 000 atomer (figur 1). På denna skala, endast kanalregioner - vägarna för el - kan beräknas. En simulering som skulle inkludera interaktioner med tusentals intilliggande elektroder och isolatorer – som tros påverka elektriska egenskaper i hög grad – har varit omöjlig.

Fujitsu Laboratories har utvecklat en beräkningsteknik som minskar minneskraven samtidigt som noggrannheten bevaras. Tillsammans med användningen av en massivt parallell superdator, detta har gjort det möjligt att härleda de elektriska egenskaperna hos en 3, 000-atom nano-enhet med metoden first-princip. Simulering av de elektriska egenskaperna hos en 3, 000-atoms nanoanordning åstadkoms på cirka 20 timmar.

Simuleringen använder en uppsättning basfunktioner som representerar flödet av el. Vanligtvis, att öka antalet basfunktioner ökar noggrannheten i approximationer av den faktiska elektriska strömmen, men det ökar också mängden minne som används för beräkningen. En detaljerad studie av dessa resultat, ur ett naturvetenskapligt perspektiv, ledde till upptäckten av en uppsättning basfunktioner som håller det erforderliga minnet till mindre än det tillgängliga minnet (figur 2).

När du utför simuleringarna, Fujitsu Laboratories använde OpenMX, programvara för beräkningar med första principer som använder massivt parallell teknologi utvecklad av JAIST och CMS Initiative. Detta program använde en atom-partitioneringsteknik (Figur 3) för att begränsa minnes- och kommunikationskraven, och en rymduppdelningsteknik (Figur 4) för att accelerera snabba Fourier-transformationsberäkningar, som är en viktig del av beräkningar från första principer.

Denna kombination av tekniker gjorde det möjligt att simulera de elektriska egenskaperna hos en nanoenhet med 3, 030 atomer, omfattande både grafen och ett isolerande skikt, på cirka 20 timmar på en superdator. Simuleringsresultat med och utan isoleringsskiktet visas i figur 5.

Denna teknik, kunna modellera de elektriska egenskaperna hos en 3, 000-atoms nano-enhet, användes för att upptäcka de elektriska egenskaperna hos en nanoenhet som inkluderade interaktioner med dess miljö, gör ett viktigt steg mot designen av nya nanoenheter.

Baserat på utvecklingen av allt mer massiv parallell datorteknik som har hållit jämna steg med prestandaökningen hos datorer, Fujitsu bedriver större och effektivare beräkningar. Inom de närmaste åren, Fujitsu siktar på att uppnå nano -enhetsdesign via datorer genom totalsimuleringar av nano -enheter (på skalan 10, 000 atomer).