Microchips zijn gemaakt van hetzelfde element dat in zand wordt aangetroffen en zijn bedekt met ingewikkelde patronen. Ze voeden smartphones, breiden apparaten uit en ondersteunen de werking van auto's en vliegtuigen.

Nu ontwikkelen wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) computersimulatiecodes die de huidige simulatietechnieken zullen overtreffen en de productie van microchips zullen ondersteunen met behulp van plasma, de elektrisch geladen toestand van materie die ook wordt gebruikt in fusieonderzoek. .

Deze codes kunnen de efficiëntie van het productieproces helpen vergroten en mogelijk de renaissance van de chipindustrie in de Verenigde Staten stimuleren.

"Omdat apparaten met microchips essentieel zijn voor ons dagelijks leven, is hoe en waar ze worden gemaakt een kwestie van nationale veiligheid", zegt Igor Kaganovich, een hoofdonderzoeksfysicus die leiding geeft aan de lage-temperatuurmodelleringsgroep bij PPPL.

"Robuuste en betrouwbare simulatietools die het plasmagedrag nauwkeurig kunnen voorspellen en de productie- en ontwerpcyclus van siliciumchips kunnen verkorten, kunnen de VS helpen een leidende rol op dit gebied terug te winnen en deze decennialang te behouden."

Het tempo opvoeren

Eén van de PPPL-onderzoeksinspanningen omvat het verkorten van de tijd die computers nodig hebben om microchip-plasmareactoren te simuleren. Deze innovatie zou de particuliere sector helpen complexere en nauwkeurigere simulaties op grotere schaal te gebruiken en hun streven naar lagere microchipkosten te ondersteunen.

"Bedrijven zouden graag simulaties willen gebruiken om hun processen te verbeteren, maar deze zijn doorgaans rekentechnisch duur", zegt Andrew Tasman Powis, co-auteur van het artikel dat de resultaten rapporteert in Physics of Plasmas en computationeel onderzoeksmedewerker bij PPPL. "We doen ons best om deze trend tegen te gaan."

Natuurkundigen willen doorgaans dat simulaties plasma zo nauwkeurig mogelijk reproduceren, waarbij virtuele beelden worden gegenereerd die de complexiteit van plasmagedrag met zeer fijne details onthullen. Dat proces vereist algoritmen, programma's die een reeks regels volgen, die plasma in zeer korte tijdsintervallen en in kleine ruimtevolumes simuleren.

Het addertje onder het gras is dat voor dergelijke gedetailleerde simulaties krachtige computers nodig zijn die dagen of weken achter elkaar draaien. Dat tijdsbestek is te lang en te duur voor bedrijven die de simulaties willen gebruiken om hun productieprocessen voor microchips te verbeteren.

De onderzoekers doken in de geschiedenis van de plasmafysica om reeds ontwikkelde algoritmen te vinden die mogelijk de hoeveelheid tijd die nodig is om microchipplasma te simuleren, kunnen verkorten. De onderzoekers vonden geschikte algoritmen uit de jaren tachtig; Toen ze werden getest, toonden de algoritmen aan dat ze microchip-plasmasystemen in veel minder tijd en met slechts een kleine vermindering in nauwkeurigheid kunnen modelleren.

In wezen ontdekten de onderzoekers dat ze goede simulaties konden krijgen, ook al modelleerden ze plasmadeeltjes in grotere ruimtes en gebruikten ze langere tijdsintervallen.

"Deze ontwikkeling is belangrijk omdat het bedrijven zowel tijd als geld kan besparen", zegt Haomin Sun, hoofdonderzoeker van het onderzoek en voormalig afgestudeerde student aan het Princeton University-programma in Plasma Physics, gevestigd bij PPPL.

"Dat betekent dat je met dezelfde hoeveelheid computerbronnen meer simulaties kunt maken. Met meer simulaties kun je niet alleen manieren vinden om de productie te verbeteren, maar ook om meer natuurkunde in het algemeen te leren. We kunnen meer ontdekkingen doen met onze beperkte middelen. "

Gerelateerd onderzoek onder leiding van Powis versterkt deze mogelijkheid. In een artikel gepubliceerd in Physics of Plasmas bevestigt Powis dat computercodes nauwkeurige modellen van plasmadeeltjes kunnen genereren terwijl gebruik wordt gemaakt van virtuele "cellen" of kleine ruimtevolumes die een standaardmaat in de plasmafysica overschrijden die bekend staat als de Debye-lengte.

Deze ontwikkeling betekent dat de codes feitelijk minder cellen kunnen gebruiken en de behoefte aan rekentijd kunnen verminderen. "Dit is goed nieuws, omdat het verminderen van het aantal cellen de rekenkosten van de simulatie zou kunnen verlagen en daardoor de prestaties zou kunnen verbeteren", aldus Powis.

De algoritmen kunnen zogenaamde 'capacitief gekoppelde plasmareactoren' simuleren, die het plasma creëren dat ingenieurs gebruiken om smalle kanalen in een siliciumwafel te etsen. Deze kleine doorgangen vormen de microschakelingen waardoor de microchip kan functioneren.

"We zijn geïnteresseerd in het modelleren van dit proces, zodat we kunnen leren hoe we de eigenschappen van het plasma kunnen controleren, kunnen voorspellen hoe ze eruit zouden zien in een nieuwe machine en vervolgens de etseigenschappen kunnen voorspellen, zodat we het proces kunnen verbeteren," zei Powis.

Het team is van plan de algoritmen verder te testen door de effecten van verschillende soorten wand- en elektrodematerialen toe te voegen. "We willen het vertrouwen in deze algoritmen blijven opbouwen, zodat we er zeker van kunnen zijn dat de resultaten accuraat zijn", aldus Powis.

Inherente grenzen herkennen en overwinnen

Een andere onderzoeksinspanning richt zich op fouten die in plasmasimulaties kunnen sluipen vanwege de inherente beperkingen van de simulatiemethoden zelf, die kleinere aantallen plasmadeeltjes modelleren dan in echt plasma aanwezig zijn.

"Als je plasma simuleert, zou je idealiter elk deeltje willen volgen en te allen tijde willen weten waar het zich bevindt", zegt Sierra Jubin, afgestudeerde student aan het Princeton Program in Plasma Physics en hoofdauteur van een artikel waarin de resultaten worden gerapporteerd in Fysica van plasma's . "Maar we hebben geen oneindige rekenkracht, dus dat kunnen we niet doen."

Om dit probleem te omzeilen, ontwerpen onderzoekers code die miljoenen deeltjes representeert als één reus deeltje. Dit vereenvoudigt de taak van de computer, maar versterkt ook de interacties van de virtuele megadeeltjes. Als gevolg hiervan vindt een verandering in de verhouding van deeltjes die met de ene snelheid bewegen ten opzichte van het aantal deeltjes dat met een andere snelheid beweegt (een proces dat bekend staat als thermalisatie) sneller plaats dan in de natuur. In wezen komt de simulatie niet overeen met de werkelijkheid.

"Dit is een probleem, want als we dit probleem niet aanpakken, zullen we de verschijnselen niet modelleren zoals ze zich daadwerkelijk in de wereld voordoen", zei Jubin. "En als we willen weten hoeveel elektronen met een bepaalde snelheid bewegen, waarbij ionen of reactieve chemische soorten worden gegenereerd die interageren met de materialen die worden gebruikt om microchips te maken, krijgen we geen nauwkeurig beeld."

Om deze rekenfouten te compenseren, ontdekten de onderzoekers dat ze de megadeeltjesvolumes groter en minder dicht konden maken, waardoor hun interacties werden gedempt en de veranderingen in deeltjessnelheden werden vertraagd. "In feite stellen deze resultaten grenzen aan wat mogelijk is in plasmasimulaties met microchips, wijzen ze op beperkingen waar we rekening mee moeten houden en brengen ze enkele oplossingen naar voren", zei Jubin.

De bevindingen van Jubin versterken het idee dat de huidige simulatietechnieken verbeterd moeten worden. Of het nu komt doordat codes die tegenwoordig worden gebruikt kleine volumegroottes en tijdsintervallen vereisen die samen simulaties vertragen of omdat ze fouten produceren op basis van computervereisten, wetenschappers hebben nieuwe oplossingen nodig. "Dit is eigenlijk een paradigmaverschuiving in het veld", zei Kaganovich, "en PPPL loopt voorop."

Het team bestond uit onderzoekers van Princeton University, het Swiss Plasma Center van de Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, het Indiase Birla Institute of Technology and Science, het Indiase Homi Bhabha National Institute, de Universiteit van Alberta in Edmonton, Applied Materials, Inc. en het Chinese Sino -Frans Instituut voor Nucleaire Techniek en Technologie.

Meer informatie: Sierra Jubin et al, Numerieke thermalisatie in 2D PIC-simulaties:praktische schattingen voor plasmasimulaties bij lage temperaturen, Fysica van plasma's (2024). DOI:10.1063/5.0180421

A. T. Powis et al, Nauwkeurigheid van de expliciete energiebesparende deeltjes-in-cel-methode voor onderopgeloste simulaties van capacitief gekoppelde plasma-ontladingen, Physics of Plasmas (2024). DOI:10.1063/5.0174168

Haomin Sun et al, Directe impliciete en expliciete energiebesparende deeltjes-in-cel-methoden voor het modelleren van capacitief gekoppelde plasma-apparaten, Physics of Plasmas (2023). DOI:10.1063/5.0160853

Journaalinformatie: Fysica van plasma's

Geleverd door Princeton Plasma Physics Laboratory