Ett obevekligt globalt försök att krympa transistorer har gjort datorer ständigt snabbare, billigare och mindre under de senaste 40 åren. Denna insats har gjort det möjligt för chipmakare att fördubbla antalet transistorer på ett chip ungefär var 18:e månad - en trend som kallas Moores lag. I processen, den amerikanska halvledarindustrin har blivit en av landets största exportindustrier, värderas till mer än 65 miljarder dollar om året.

Grunden för denna industrins framgång har varit utvecklingen av progressivt mer kapabla chips. Dock, enligt International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), som identifierar tekniska utmaningar och behov för halvledarindustrin under de kommande 15 åren, tecken pekar på en störning i dessa långvariga trender.

Transistorstorleken kommer att fortsätta minska i ett decennium, når cirka 5 nanometer lång och 1 nanometer (eller cirka 5 atomer) bred i sin kritiska aktiva region. Utöver den punkten, vad som händer är svårare att förutse.

På denna nanoskala, nya fenomen går före de som håller i makrovärlden. Kvanteffekter som tunneling och atomistisk störning dominerar egenskaperna hos dessa nanoskalaenheter. Grundläggande frågor om hur olika material och konfigurationer beter sig i denna skala måste besvaras.

"Ytterligare förbättringar av dessa dimensioner kommer endast genom detaljerad och optimerad enhetsdesign och bättre integration, "sa Gerhard Klimeck, professor i el- och datateknik vid Purdue University och chef för Network for Computational Nanotechnology där.

Det är i skalans skala som styrs av nanoskala och kvantinteraktioner som Klimeck fungerar. Han leder ett team som utvecklat ett av de primära mjukvaruverktygen som används av akademiker, halvledarföretag och studenter att förutsäga det framtida beteendet för nanoskala transistorer.

Kallas NEMO5 (femte upplagan av NanoElectronics MOdeling Tools), programvaran simulerar multiscale, flerfysiska fenomen som uppstår när en elektrisk laddning passerar genom en få atomer bred transistor. Genom att göra så, NEMO hjälper forskare att designa framtida generationer av nanoelektroniska enheter, inklusive transistorer och kvantpunkter, även innan de kan produceras fysiskt, och förutspår enhetsprestationer och fenomen som forskare annars inte kunde utforska.

"Det finns inga datorstödda designverktyg som kan modellera dessa enheter i atomistisk mening, "Klimeck sa." Alla standardverktyg för design av halvledarutrustning som finns där ute antar att materia är smidig och kontinuerlig och ignorerar atomer. "

Men atomer finns, och deras beteende måste beaktas vid utformning av enheter som bara har några atomer tvärs över.

"Det vi bygger är ett konstruktionsverktyg som kommer att användas för förståelse och design av enheter som finns i slutet av Moores lag, "Noterade Klimeck.

Med ett Petascale Computing Resource Allocation -pris från National Science Foundation, Klimecks grupp använder Super Waters Blue Waters vid National Center for Supercomputing Applications för att studera gränserna för nuvarande halvledarteknologi och möjligheterna för framtida. Blue Waters är en av världens mest kraftfulla maskiner för simulering, modellering och dataanalys.

Mehdi Salmani och SungGeun Kim, tidigare Ph.D. studenter i Klimecks grupp, använde Blue Waters för att modellera olika enheter och konfigurationer för International Technology Roadmap for Semiconductors. De undersökte om de allt mindre enheter som beräknas vara tillgängliga under de närmaste 15 åren är fysiskt genomförbara. De bestämde också vilken inverkan kvanteffekter som spridning och inneslutning kan ha på prestanda när enheter krymper till kritiska trösklar.

Simuleringar av Klimecks team fann viktiga avvikelser i enheternas egenskaper när de skalas ner, ställa frågor om framtida enhetsdesigner. Deras resultat inkluderades i ITRS -färdplanen 2014 och hjälper till att styra riktningen för många av de största halvledarföretagen i deras planering och framtida forskning och utveckling.

Klimecks team använde också Blue Waters för att utforska alternativa material som kan ersätta kisel i framtida enheter. Dessa inkluderar indiumarsenid och indiumantimonid, liksom exotiska material som grafen, kolnanorör och topologiska isolatorer för kvantspinndatorer.

Resultaten av deras simuleringar publicerades i Naturnanoteknik i april 2014 och i Tillämpad fysikbokstäver i augusti 2014.

NEMO5, och dess föregångare OMEN och NEMO3D, driver nio applikationer på nanoHUB, en webbplats som är värd för en växande samling av simuleringsprogram för modellering av nanoskala fenomen. Sedan de släpptes för nästan 15 år sedan, mer än 19, 000 forskare har sprungit över 367, 000 simuleringar med hjälp av NEMO -verktygsfamiljen. NEMO och OMEN har använts i 381 klasser vid institutioner runt om i världen och har citerats i 84 artiklar i den vetenskapliga litteraturen.

"Allmänhetens tillgänglighet för sådana verktyg stöder snabb innovation och påskyndar antagandet av störande teknik i morgondagens högteknologiska enheter, "sa Keith Roper, som övervakar programmet Network for Computational Nanotechnology i Engineering Directorate vid NSF.

Genom att kombinera högpresterande modelleringsverktyg som NEMO5 med ett högpresterande modelleringssystem som Blue Waters kan Klimeck och hundratals andra forskare ställa frågor och hitta lösningar långt bortom de som de kunde ta itu med tidigare.

"Det typiska problemet vi måste hantera har kanske 100 000 till en miljon atomer, "Sade Klimeck." För tio år sedan hade folk sagt till mig att det inte går att lösa. Du kan inte få en dator som är tillräckligt stor. Nu när petascale Blue Waters -systemet är tillgängligt, vi kan lösa den här typen av problem och hjälpa till att designa halvledare som möjliggör fortsatt teknisk tillväxt. "