Fujitsu Laboratories annonce avoir simulé avec succès les propriétés électriques d'un 3, nano-dispositif de 000 atomes – une multiplication par trois par rapport aux efforts précédents – utilisant un superordinateur. Au niveau nanométrique, même des différences mineures dans la configuration atomique locale peuvent avoir un impact majeur sur les propriétés électriques d'un appareil, exigeant que la méthode de calcul des premiers principes soit utilisée pour calculer avec précision les propriétés physiques au niveau atomique. Cependant, lors de l'application de cette méthode à la prévision des propriétés électriques, les calculs massifs impliqués limitent ces prévisions à l'ordre de 1, 000 atomes.

Les Laboratoires Fujitsu ont maintenant développé une technique de calcul qui réduit les besoins en mémoire tout en maintenant la précision. L'application à une échelle de 3000 atomes a été rendue possible grâce à un supercalculateur utilisant un traitement massivement parallèle. Cette technique permet le calcul des propriétés électriques, non seulement des composants individuels du nano-dispositif, mais des interactions entre ces composants. On s'attend à ce que ce développement contribue à des implémentations pratiques plus rapides des nanodispositifs. Cette simulation a utilisé une technologie de calcul massivement parallèle développée par le Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) et la Computational Material Science Initiative (CMSI).

Les détails de cette technologie sont publiés dans l'édition du 14 janvier du Physique Appliquée Express (SOMMET), le journal des lettres de la Société japonaise de physique appliquée.

Fond

Comme les dispositifs au silicium tels que LSI sont devenus de plus en plus compacts, il y a eu un niveau accru de vitesse de fonctionnement et d'efficacité énergétique. Dans les années récentes, cependant, les limites de la miniaturisation continuant de se rapprocher, il est devenu de plus en plus difficile de tirer des performances supplémentaires des puces. Cela a conduit à de fervents efforts pour développer des dispositifs fabriqués à partir de nouveaux matériaux et de nouveaux types de structures.

La simulation précise des propriétés électriques d'un nano-dispositif sur un ordinateur plutôt que par l'expérimentation peut rendre le processus de développement plus rapide et moins coûteux. Un moyen efficace de le faire est de dériver les propriétés électriques de la méthode des premiers principes, qui calcule avec précision le comportement de chaque atome. Mais comme la méthode des premiers principes nécessite une quantité massive de calculs, son application à la prévision des propriétés électriques est limitée aux modèles à l'échelle 1, 000 atomes (Figure 1). À cette échelle, seules les régions de canaux – les chemins de l'électricité – peuvent être calculées. Une simulation qui inclurait des interactions avec des milliers d'électrodes et d'isolants adjacents – dont on pense qu'elles affectent grandement les propriétés électriques – a été impossible.

Fujitsu Laboratories a développé une technique de calcul qui réduit les besoins en mémoire tout en préservant la précision. Avec l'utilisation d'un supercalculateur massivement parallèle, cela a permis de dériver les propriétés électriques d'un 3, Nano dispositif à 000 atomes utilisant la méthode des premiers principes. Simuler les propriétés électriques d'un 3, Un nano-dispositif de 000 atomes a été réalisé en environ 20 heures.

La simulation utilise un ensemble de fonctions de base qui représentent le flux d'électricité. Typiquement, l'augmentation du nombre de fonctions de base améliore la précision des approximations du courant électrique réel, mais cela augmente également la quantité de mémoire utilisée pour le calcul. Une étude détaillée de ces résultats, du point de vue des sciences physiques, a conduit à la découverte d'un ensemble de fonctions de base qui maintiennent la mémoire requise en deçà de la mémoire disponible (Figure 2).

En réalisant les simulations, Les laboratoires Fujitsu ont utilisé OpenMX, logiciel de calculs avec des principes premiers qui utilise une technologie massivement parallèle développée par JAIST et l'Initiative CMS. Ce programme a utilisé une technique de partitionnement atomique (Figure 3) pour limiter les demandes de mémoire et de communication, et une technique de partitionnement de l'espace (Figure 4) pour accélérer les calculs rapides de transformée de Fourier, qui sont un élément clé des calculs à partir des premiers principes.

Cette combinaison de techniques a permis de simuler les propriétés électriques d'un nano dispositif avec 3, 030 atomes, comprenant à la fois du graphène et une couche isolante, en 20 heures environ sur un supercalculateur. Les résultats de simulation avec et sans la couche isolante sont illustrés à la figure 5.

Cette technologie, être capable de modéliser les propriétés électriques d'un 3, nano-dispositif de 000 atomes, a été utilisé pour découvrir les propriétés électriques d'un nano dispositif qui comprenait des interactions avec son environnement, faire un pas important vers la conception de nouveaux nanodispositifs.

Basé sur le développement d'une technologie de calcul parallèle de plus en plus massive qui a suivi le rythme de l'augmentation des performances des ordinateurs, Fujitsu poursuit des calculs à plus grande échelle et plus efficaces. Au cours des prochaines années, Fujitsu vise à réaliser la conception de nano-dispositifs via des ordinateurs grâce à des simulations totales de nano-dispositifs (à l'échelle de 10, 000 atomes).