Visualisations des futurs nano-transistors, dans le sens des aiguilles d'une montre en commençant en haut à gauche :a) L'image montre l'organisation des atomes dans un transistor à corps ultra mince (UTB) et la quantité de potentiel électrique le long du transistor. b) Il s'agit d'une visualisation de l'organisation des atomes dans un matériau pur. Chaque atome (en rouge) est entouré d'une coquille grise, représentant le champ d'interaction de chaque atome. c) Les points quantiques sont des particules nanométriques, avec des diamètres environ 1000 fois plus petits que le diamètre des cheveux humains. Cette image montre l'amplitude des forces de déformation à la surface du noyau d'une boîte quantique. d) Le noyau d'une boîte quantique peut avoir différentes formes et compositions. Ces deux facteurs affectent les niveaux d'énergie à l'intérieur d'une boîte quantique. Ce chiffre en bleu clair représente l'intensité d'un niveau d'énergie à l'intérieur d'une boîte quantique à noyau conique (en rouge). Crédit :Institute for Nanoelectronic Modeling (iNEMO) dirigé par Gerhard Klimeck
Un effort mondial incessant pour réduire les transistors a rendu les ordinateurs continuellement plus rapides, moins cher et plus petit au cours des 40 dernières années. Cet effort a permis aux fabricants de puces de doubler le nombre de transistors sur une puce environ tous les 18 mois, une tendance appelée loi de Moore. Dans le processus, l'industrie américaine des semi-conducteurs est devenue l'une des plus grandes industries d'exportation du pays, évalué à plus de 65 milliards de dollars par an.
La base du succès de cette industrie a été le développement de puces de plus en plus performantes. Cependant, selon l'International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), qui identifie les défis technologiques et les besoins de l'industrie des semi-conducteurs au cours des 15 prochaines années, des signes indiquent une perturbation de ces tendances de longue date.
La taille des transistors va continuer à diminuer pendant une décennie, atteignant environ 5 nanomètres de long et 1 nanomètre (ou environ 5 atomes) de large dans sa région active critique. Au-delà de ce point, ce qui se passe est plus difficile à prévoir.
A cette échelle nanométrique, les nouveaux phénomènes prennent le pas sur ceux qui règnent dans le macro-monde. Les effets quantiques tels que l'effet tunnel et le désordre atomistique dominent les caractéristiques de ces dispositifs nanométriques. Il faut répondre à des questions fondamentales sur le comportement de divers matériaux et configurations à cette échelle.
« De nouvelles améliorations de ces dimensions ne viendront que grâce à une conception détaillée et optimisée des appareils et à une meilleure intégration, " a déclaré Gerhard Klimeck, professeur de génie électrique et informatique à l'Université Purdue et directeur du Network for Computational Nanotechnology là-bas.
C'est à l'échelle des atomes guidés par des interactions nanométriques et quantiques que Klimeck travaille. Il dirige une équipe qui a développé l'un des principaux outils logiciels utilisés par les universitaires, entreprises de semi-conducteurs et étudiants pour prédire le comportement futur des transistors nanométriques.
Appelé NEMO5 (la cinquième édition des outils de modélisation nanoélectronique), le logiciel simule le multi-échelle, phénomènes multiphysiques qui se produisent lorsqu'une charge électrique traverse un transistor de quelques atomes de large. Ce faisant, NEMO aide les chercheurs à concevoir les futures générations de dispositifs nanoélectroniques, y compris les transistors et les points quantiques, avant même qu'ils puissent être produits physiquement, et prédit les performances et les phénomènes des appareils que les chercheurs ne pourraient pas explorer autrement.
"Il n'y a pas d'outils de conception assistée par ordinateur qui peuvent modéliser ces appareils dans un sens atomistique, ", a déclaré Klimeck. "Tous les outils de conception de dispositifs semi-conducteurs standard qui existent supposent que la matière est lisse et continue et ignorent l'existence des atomes."
Cette image représente une représentation interne d'un transistor Ultra Thin Body (UTB). La position des atomes et leurs liaisons chimiques sont présentées ainsi que la quantité de potentiel électrique dans le transistor. Le potentiel électrique peut être vu comme des surfaces colorées superposées à la structure. Crédit :Institute for Nanoelectronic Modeling (iNEMO) dirigé par Gerhard Klimeck
Mais les atomes existent, et leur comportement doit être pris en compte lors de la conception de dispositifs ne comportant que quelques atomes de diamètre.
"Ce que nous construisons est un outil d'ingénierie qui sera utilisé dans la compréhension et la conception de dispositifs qui sont à la fin de la loi de Moore, " a noté Klimeck.
Avec un prix Petascale Computing Resource Allocation de la National Science Foundation, Le groupe de Klimeck utilise le supercalculateur Blue Waters du National Center for Supercomputing Applications pour étudier les limites des technologies actuelles des semi-conducteurs et les possibilités des futures. Blue Waters est l'une des machines de simulation les plus puissantes au monde, modélisation et analyse des données.
Mehdi Salmani et Sung Geun Kim, anciennement Ph.D. étudiants du groupe de Klimeck, a utilisé Blue Waters pour modéliser divers dispositifs et configurations pour la feuille de route technologique internationale pour les semi-conducteurs. Ils ont cherché à savoir si les appareils de plus en plus petits qui devraient être disponibles dans les 15 prochaines années sont physiquement réalisables. Ils ont également déterminé l'impact que les effets quantiques tels que la diffusion et le confinement pourraient avoir sur les performances lorsque les appareils se réduisent à des seuils critiques.
Les simulations de l'équipe de Klimeck ont révélé des écarts importants dans les caractéristiques des appareils à mesure qu'ils sont réduits, soulevant des questions sur les futures conceptions d'appareils. Leurs résultats ont été inclus dans la feuille de route ITRS en 2014 et aident à guider la direction de bon nombre des plus grandes sociétés de semi-conducteurs dans leur planification et leurs futures recherches et développements.
L'équipe de Klimeck a également utilisé Blue Waters pour explorer des matériaux alternatifs qui pourraient remplacer le silicium dans les futurs appareils. Il s'agit notamment de l'arséniure d'indium et de l'antimonure d'indium, ainsi que des matériaux exotiques comme le graphène, nanotubes de carbone et isolants topologiques pour ordinateurs de spin quantique.
Une carte d'utilisation des outils de modélisation par nanosimulation NEMO et OMEN. Crédit :Institute for Nanoelectronic Modeling (iNEMO) dirigé par Gerhard Klimeck
Les résultats de leurs simulations ont été publiés dans Nature Nanotechnologie en avril 2014 et en Lettres de physique appliquée en août 2014.
NEMO5, et ses prédécesseurs OMEN et NEMO3D, alimenter neuf applications sur nanoHUB, un site Web qui héberge une collection croissante de programmes de simulation pour la modélisation de phénomènes à l'échelle nanométrique. Depuis leur sortie il y a près de 15 ans, plus de 19 ans, 000 chercheurs ont couru sur 367, 000 simulations avec la famille d'outils NEMO. NEMO et OMEN ont été utilisés dans 381 classes d'institutions du monde entier et ont été cités dans 84 articles de la littérature scientifique.
« La disponibilité publique de ces outils favorise l'innovation rapide et accélère l'adoption de technologies de rupture dans les appareils de haute technologie de demain, " a déclaré Keith Roper, qui supervise le programme Network for Computational Nanotechnology de la direction Ingénierie de la NSF.
La combinaison d'outils de modélisation haute performance comme NEMO5 avec un système de modélisation haute performance comme Blue Waters permet à Klimeck et à des centaines d'autres chercheurs de poser des questions et de trouver des solutions bien au-delà de celles qu'ils pouvaient aborder dans le passé.
"Le problème typique que nous devons gérer en a peut-être 100, 000 à un million d'atomes, " a déclaré Klimeck. " Il y a dix ans, les gens m'auraient dit que ce n'est pas résoluble. Vous ne pouvez pas avoir un ordinateur assez grand. Maintenant que le système pétascale Blue Waters est disponible, nous pouvons résoudre ce genre de problèmes et aider à concevoir des semi-conducteurs qui permettront une croissance technologique continue."
