Fujitsu Laboratories сообщает, что благодаря использованию суперкомпьютеров она успешно смоделировала электрические свойства наноустройств размером в 3000 атомов – втрое больше, чем раньше. На наноуровне даже незначительные различия в расположении атомов оказывают существенное влияние на электрические свойства приборов, что требует неэмпирических расчетов [1] для точного моделирования физических свойств на атомном уровне. Однако использование такого подхода для прогнозирования электрических свойств требует колоссальных расчетов, ограничивающих объем модели на уровне порядка 1000 атомов.
Теперь же Fujitsu Laboratories разработала методику расчетов, уменьшающую требования к памяти при сохранении требуемой точности. Появилась возможность, используя суперкомпьютеры с массовым параллелизмом обработки данных, выполнять вычисления для 3000 атомов. Представленная методика позволяет рассчитывать электрические свойства не только отдельных компонентов наноустройств, но и взаимовлияние компонентов. Предполагается, что эта разработка будет способствовать ускорению практического внедрения наноустройств. Методика моделирования использует технологию массовых параллельных вычислений, разработанную Японским институтом передовой науки и технологии (JAIST) и Инициативной группой вычислительного материаловедения (CMSI).
Подробная информация была опубликована в январском номере за 2014 год Applied Physics Express (APEX), вестнике Японского общества прикладной физики (Japan Society of Applied Physics).
История вопроса
По мере того, как кремниевые устройства становятся все более компактными, увеличиваются как их быстродействие, так и энергоэффективность. Однако в последние годы возможности микроминиатюризации начали приближаться к своему пределу, и увеличение производительности чипов стало требовать все больших затрат и средств и времени. Это заставляет ученых активизировать усилия по разработке устройств, основанных на новых материалах и новых типах структур.
Технологические проблемы
Моделирование электрических свойств наноустройств на компьютере дает более точный результат, чем эксперименты, и может ускорить процесс разработки, одновременно сделав его менее затратным. Весьма эффективны расчеты электрических свойств, основанные на неэмпирическом методе, позволяющем точно вычислить поведение каждого атома. Но огромные объемы необходимых для этого вычислений до сих пор не позволяли исследовать модели размером более 1000 атомов (Рисунок 1). С помощью модели такого размера может быть рассчитана только область проводящего канала, через который течет ток, а моделирование, учитывающее взаимодействие области канала с тысячами соседних атомов проводников и изоляторов, которые, как считается, сильно влияют на электрические свойства, было невозможно.
 |
|
| Рисунок 1. | Обычные кремниевые устройства и приборы следующего поколения. |
О технологии
Fujitsu Laboratories разработала вычислительную технологию, требующую меньше памяти, но не ухудшающую точность расчетов. Реализованная на массово-параллельном суперкомпьютере, эта технология позволила вывести электрические свойства наноустройства размером в 3000 атомов с использованием метода первых основополагающих принципов. Моделирование электрических свойств для 3000 атомов заняло примерно 20 часов.
 |
|
| Рисунок 2. | Результаты использования недавно открытых новых базисных функций. |
Моделирование использует набор базисных функций, математически описывающих поток электричества. Как правило, увеличение количества базисных функций повышает точность аппроксимации фактического электрического тока, но оно также увеличивает и объем требуемой для расчетов памяти. Детальное изучение полученных результатов с точки зрения физической науки привело к открытию набора базисных функций, требующих меньшего количества памяти, чем доступно на суперкомпьютере. (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 3. | Пример разделения атомов в углеродных нанотрубках. |
Для моделирования Fujitsu Laboratories использовала OpenMX [2] – программу вычислений на базе первых основополагающих принципов с технологией массового параллелизма, разработанную JAIST и CMS Initiative. Эта программа использует метод декомпозиции атомов (Рисунок 3), чтобы ограничить требования по объему памяти и скорости обмена данными, и метод пространственного разделения (Рисунок 4), ускоряющий вычисления функций быстрого преобразования Фурье, которые являются ключевой частью вычислений по первым основополагающим принципам.
 |
|
| Рисунок 4. | Метод пространственного разделения для объемного быстрого преобразования Фурье. |
Такое сочетание методов позволило примерно за 20 часов смоделировать на суперкомпьютере электрические свойства наноустройства размером 3030 атомов, включающего как графен, так и изолирующий слой [3]. Результаты моделирования с изолирующим слоем, и без, показаны на Рисунке 5.
|
|||
| Рисунок 5. | Результаты моделирования. | ||
Результаты
Эта технология, позволяющая моделировать электрические свойства наноустройств размером в 3000 атомов, была использована в исследованиях электрических свойств наноустройства, с учетом его взаимодействияо с окружающими материалами, что является важным шагом на пути создания новых наноустройств.
Планы на будущее
Используя технологию вычислений с массовым параллелизмом, развивающуюся по мере роста производительности компьютеров, Fujitsu проводит все более масштабные и эффективные расчеты. В следующие несколько лет Fujitsu сконцентрирует свои усилия на компьютерном конструировании наноустройств, выполняя полное моделирование в масштабе 10,000 атомов.
Словарь и примечания
- Первые основополагающие принципы:
Вместо того чтобы использовать экспериментальные данные и эмпирические параметры, этот метод вычисляет физические свойства из основных законов квантовой механики, описывающих поведение атомов и электронов.
- OpenMX:
Пакет программ с открытым исходным кодом для исследования материалов.
- Примерно 20 часов на суперкомпьютере:
Использовался 3000-ядерный суперкомпьютер Fujitsu PRIMEHPC FX10.
