Fujitsu Laboratories kondigt aan dat het met succes de elektrische eigenschappen van een 3, 000-atoom nano-apparaat - een drievoudige toename ten opzichte van eerdere inspanningen - met behulp van een supercomputer. Op nanoschaalniveau is zelfs kleine verschillen in de lokale atomaire configuratie kunnen een grote impact hebben op de elektrische eigenschappen van een apparaat, waarbij de eerste-principes-berekeningsmethode moet worden gebruikt om de fysische eigenschappen op atomair niveau nauwkeurig te berekenen. Echter, wanneer deze methode wordt toegepast op het voorspellen van elektrische eigendommen, de enorme berekeningen die ermee gemoeid zijn, beperken deze voorspellingen tot de orde van 1, 000 atomen.

Fujitsu Laboratories heeft nu een rekentechniek ontwikkeld die de geheugenvereisten vermindert met behoud van precisie. Toepassing op een schaal van 3000 atomen is mogelijk gemaakt door een supercomputer die massaal parallelle verwerking gebruikt. Met deze techniek kunnen elektrische eigenschappen worden berekend, niet alleen van individuele nano-apparaatcomponenten, maar van de interacties tussen deze componenten. De verwachting is dat deze ontwikkeling zal bijdragen aan een snellere praktische implementatie van nano-devices. Deze simulatie maakte gebruik van massaal parallelle computertechnologie die is ontwikkeld door het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) en het Computational Material Science Initiative (CMSI).

Details van deze technologie worden gepubliceerd in de 14 januari-editie van de Technische Natuurkunde Express (TOP), het brievenblad van de Japan Society of Applied Physics.

Achtergrond

Aangezien siliciumapparaten zoals LSI steeds compacter zijn geworden, zowel de werksnelheid als de energie-efficiëntie zijn verhoogd. In recente jaren, echter, terwijl de grenzen van de miniaturisering steeds dichterbij komen, het is een steeds grotere uitdaging geworden om extra prestaties uit chips te persen. Dit heeft geleid tot vurige pogingen om apparaten te ontwikkelen die zijn gemaakt van nieuwe materialen en nieuwe soorten structuren.

Door de elektrische eigenschappen van een nano-apparaat nauwkeurig op een computer te simuleren in plaats van door te experimenteren, kan het ontwikkelingsproces sneller en goedkoper worden. Een effectieve manier om dit te doen is om de elektrische eigenschappen af ​​te leiden uit de eerste-principes methode, die nauwkeurig het gedrag van elk atoom berekent. Maar aangezien de eerste-principesmethode een enorme hoeveelheid berekeningen vereist, de toepassing ervan op het voorspellen van elektrische eigendommen is beperkt tot modellen op de schaal van 1, 000 atomen (Figuur 1). Op deze schaal, alleen kanaalregio's - de paden voor elektriciteit - kunnen worden berekend. Een simulatie die interacties zou omvatten met duizenden aangrenzende elektroden en isolatoren - waarvan wordt gedacht dat ze de elektrische eigenschappen sterk beïnvloeden - was onmogelijk.

Fujitsu Laboratories heeft een rekentechniek ontwikkeld die de geheugenvereisten vermindert met behoud van de nauwkeurigheid. Samen met het gebruik van een enorm parallelle supercomputer, dit heeft het mogelijk gemaakt om de elektrische eigenschappen van een 3, 000-atoom nano-apparaat met behulp van de eerste-principes-methode. Simuleren van de elektrische eigenschappen van een 3, 000-atoom nano-apparaat werd bereikt in ongeveer 20 uur.

De simulatie maakt gebruik van een reeks basisfuncties die de stroom van elektriciteit vertegenwoordigen. Typisch, het verhogen van het aantal basisfuncties verbetert de nauwkeurigheid in benaderingen van de werkelijke elektrische stroom, maar het verhoogt ook de hoeveelheid geheugen die voor de berekening wordt gebruikt. Een gedetailleerde studie van deze resultaten, vanuit een natuurwetenschappelijk perspectief, leidde tot de ontdekking van een reeks basisfuncties die het vereiste geheugen op minder dan het beschikbare geheugen houden (Figuur 2).

Bij het uitvoeren van de simulaties, Fujitsu Laboratories gebruikte OpenMX, software voor berekeningen met eerste principes die massaal parallelle technologie gebruikt die is ontwikkeld door JAIST en het CMS-initiatief. Dit programma gebruikte een atoompartitioneringstechniek (Figuur 3) om de geheugen- en communicatievereisten te beperken, en een ruimteverdelingstechniek (Figuur 4) om snelle Fourier-transformatieberekeningen te versnellen, die een belangrijk onderdeel vormen van berekeningen vanuit de eerste beginselen.

Deze combinatie van technieken maakte het mogelijk om de elektrische eigenschappen van een nano-apparaat te simuleren met 3, 030 atomen, bestaande uit zowel grafeen als een isolerende laag, in ongeveer 20 uur op een supercomputer. Simulatieresultaten met en zonder de isolerende laag zijn weergegeven in figuur 5.

Deze technologie, in staat zijn om de elektrische eigenschappen van een 3 te modelleren, 000-atoom nano-apparaat, werd gebruikt om de elektrische eigenschappen van een nano-apparaat te ontdekken dat interacties met zijn omgeving omvatte, een belangrijke stap zetten in de richting van het ontwerp van nieuwe nano-apparaten.

Gebaseerd op de ontwikkeling van steeds omvangrijkere parallelle computertechnologie die gelijke tred heeft gehouden met de prestatieverbetering van computers, Fujitsu streeft naar grootschaliger en efficiëntere berekeningen. Binnen de komende jaren, Fujitsu streeft naar het ontwerpen van nano-apparaten via computers door middel van totale simulaties van nano-apparaten (op de schaal van 10, 000 atomen).