Forskare vid ETH Zürich använder Amerikas snabbaste superdator för att göra stora vinster när det gäller att förstå de minsta elektroniska enheterna.

Laget, ledd av Mathieu Luisier, fokuserar på att vidareutveckla frontlinjen för elektronikforskning - simulera och bättre förstå nanoskala komponenter som transistorer eller batterielektroder vars aktiva regioner kan vara i storleksordningen en miljarddels meter, eller ungefär så länge dina naglar växer på en sekund.

Även om skalorna på de undersökta föremålen är små, laget har gjort stora framsteg mot effektivare beräkningskoder. Dess forskning valdes som finalist för årets Association of Computing Machinery's Gordon Bell Prize, en av de mest prestigefyllda priserna inom superdatorer.

Lagets bidrag är ett resultat av forskning som utförts på Oak Ridge Leadership Computing Facilitys Cray XK7 Titan superdator. OLCF är ett amerikanskt Department of Energy Office of Science User Facility som ligger vid Oak Ridge National Laboratory.

Bärbara datorer, mobiltelefoner och andra elektroniska enheter blir billigare och mer tillgängliga samtidigt som de blir allt mer sofistikerade. Dessa framsteg beror till stor del på de ständigt krympande dimensionerna hos deras elektroniska komponenter.

Dock, För att utveckla nästa generations hårdvara krävs nu att forskare och ingenjörer förstår materialinteraktioner i extremt små tids- och storleksskalor, ledande forskare att öka experiment med simulering.

"Vårt mål är att studera nanoskala enheter, såsom nanotransistorer, batterier eller en mängd andra nya enheter som datorminnen, optiska omkopplare eller ljusdioder på atomnivå, "Sa Luisier." Om du vill göra dessa simuleringar noggranna och verkligt förutsägbara, du måste använda sk ab initio, eller från de första principerna, simuleringsmetoder. "

Väsentligen, ab initio-simuleringar gör det möjligt för forskare att modellera alla atomsystem från grunden utan att behöva förkalibrerade materialparametrar. Självklart, att nå en sådan noggrannhet är inte gratis. Priset är en tusenfaldig ökning av beräkningskomplexitet jämfört med, till exempel, semiempiriska metoder som använder input från experiment för att förenkla beräkningen.

Forskare som studerar nanoelektronik måste därför vanligtvis göra en kompromiss mellan att simulera en realistisk systemstorlek (minst 10, 000 atomer) och använder mycket noggranna ab initio -metoder.

Till denna punkt, fastän, de flesta ab initio -programvarupaket fokuserar på beräkning av materialegenskaper som kristall och elektroniska strukturer, gittervibrationer, eller fasdiagram och tar inte hänsyn till de verkliga driftförhållandena - under tillämpning av extern spänning, en elektronström börjar flöda genom aktiva nanostrukturer. Dessa transportfenomen är beräkningsmässigt mycket krävande och kräver en dedikerad modelleringsmetod.

Luisier och hans team, därför, utvecklat en metod för att göra ab initio transportsimuleringar som är tillräckligt stora för att undersöka nanostrukturer med storlekar som är relevanta för industrin och experimentgrupper. De behövde bara rätt maskin för att testa den.

Två partnerkoder, ett mål

Dagens integrerade kretsar består av upp till flera miljarder transistorer som är tätt packade på ett område som inte överstiger ett par kvadratcentimeter. Med nanoelektronik, man skulle kunna passa tusentals av de för närvarande tillverkade nanotransistorerna i bredden av ett människohår. Dessa system är så små att forskare måste tillgripa kvantteori för att förstå deras egenskaper.

Teamet använder två olika mjukvarupaket för att utföra denna uppgift. Samhällskoden CP2K, utvecklad och underhållen av ETH Zürich professor Joost VandeVondele, ger ab initio beskrivning av nanostrukturer, OMEN -koden från Luisiers grupp utför kvanttransportsimuleringarna baserat på CP2K:s ingångar. Genom att kombinera CP2K och OMEN, laget kan få ett unikt "material + apparat" -perspektiv på atomsystem.

Luisier förklarade att det finns två huvudutmaningar för att simulera transport genom nanoelektroniska komponenter. Först, forskare måste beräkna vad de kallar öppna gränsförhållanden som kopplar simuleringen till dess omgivande miljö och möjliggör strömflöden. Som ett andra steg, de måste införliva de skapade gränsblocken i Hamiltonian, en matris som innehåller alla interatomiska interaktioner som kännetecknar enheten, och slutligen måste de lösa det resulterande glesa linjära ekvationssystemet. Med denna metod, typiska toppmoderna simuleringar inom fältet kan exakt modellera runt 1, 000 atomer.

Med uppkomsten av hybrid superdatorer, teamet insåg att de behövde en ny simuleringsmetod som kunde utnyttja potentialen hos processorer och GPU -acceleratorer. Med tanke på denna idé, två doktorander i Luisiers grupp, Sascha Bruck och Mauro Calderara, implementerat ett originalschema som gör att laget samtidigt kan beräkna de öppna gränsvillkoren på processorerna och skapa en lämplig Hamiltonsk matris på GPU:erna före en kort efterbehandlingsfas, kombinera sedan båda resultaten. Denna tour de force hjälpte inte bara att lossa arbetet till GPU:erna utan angrep också problemet på två fronter samtidigt, reducerar simuleringstiden avsevärt.

"Det som gjorde att vi kunde bli så mycket snabbare och behandla riktigt stora enhetsstrukturer är att vi hittade ett sätt att effektivt utföra det mesta av arbetet, lösa det linjära systemet, på Titans beräkningsnoder, använder extremt snabba GPU:er, samtidigt som processorerna fortfarande håller på med beräkningen av gränsvillkoren samtidigt, "Sa Luisier.

Teamet testade först sin metod på Swiss National Supercomputing Centers Piz Daint -maskin, växer simuleringen från 1, 000 atomer till 15, 000. För Luisier, detta var oerhört uppmuntrande, men han trodde att laget kunde göra mer.

Efter dessa första och framgångsrika körningar, laget fick tid på Titan som en del av Director's Discretionary -programmet. Flyttar från Piz Daint, med sina 5, 000 plus beräkningsnoder, till Titan - med uppåt 18, 000 noder - tillät laget att utföra en simulering med 50, 000 atomer, lätt att slå det tidigare riktmärket. Luisier noterade också att när man kom till 50, 000-atomsimulering använde inte ens hela Titans superdatoreffekt, vilket innebär att större simuleringar inte bara är teoretiska, men sannolikt, Inom en snar framtid.

Genom att hitta en metod för att göra ab initio kvanttransportberäkningar på ett så stort system, laget är det första som kör simuleringar som kan motsvara experiment på området, potentiellt hjälpa till att främja forskning och utveckling för nästa generations elektroniska enheter.

"Om du bara har 1, 000 atomer, du kan inte riktigt simulera en riktig enhet, "Luisier sa." Det skulle kräva att man simulerade ungefär tio gånger så många av dem. Med den nya metoden, vi kan verkligen modellera något som ser ut som en transistor eller en lagringsenhet på ab initio -nivå. Och de nanotrådar som vi har undersökt har redan tillverkats för cirka 10 år sedan när experimenter inte var lika avancerade i att producera små strukturer som de är nu. Så det maximala av vad vi nu kan simulera går utöver de minsta strukturer som människor faktiskt kan tillverka i labbet idag. "

Även om kodernas hållbara prestanda är imponerande -15 petaflops, eller 15 kvadrillions beräkningar per sekund - Luisier betonade att dessa simuleringar inte utfördes för att sätta nya beräkningsprestanda för fältet, utan snarare för vidare forskning.

"Det här är verkligen en produktionskod, en kod som används dagligen, "Luisier sa." Det som kommer ut av dessa körningar är inte bara FLOPS på en dator - dessa resultat används i samarbete med experimenter på ETH Zürich och utomlands. Det finns ett par grupper som är mycket intresserade av resultaten eftersom de kan förklara vad dessa grupper observerar i sina experimentella enheter -inte bara i nanotransistorer utan också i ljusemitterande komponenter eller quantum dot -solceller, för att bara nämna några exempel. "