Een niet-aflatende wereldwijde inspanning om transistors te verkleinen heeft computers steeds sneller gemaakt, goedkoper en kleiner in de afgelopen 40 jaar. Deze inspanning heeft chipmakers in staat gesteld om het aantal transistors op een chip ongeveer elke 18 maanden te verdubbelen - een trend die de Wet van Moore wordt genoemd. In het proces, de Amerikaanse halfgeleiderindustrie een van de grootste exportindustrieën van het land is geworden, met een waarde van meer dan $ 65 miljard per jaar.

De basis van het succes van deze industrie is de ontwikkeling van steeds meer capabele chips. Echter, volgens de International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), die de technologische uitdagingen en behoeften voor de halfgeleiderindustrie in de komende 15 jaar identificeert, tekenen wijzen op een verstoring van deze langlopende trends.

De grootte van de transistor zal tien jaar lang blijven afnemen, ongeveer 5 nanometer lang en 1 nanometer (of ongeveer 5 atomen) breed in zijn kritische actieve gebied. Voorbij dat punt, wat er gebeurt is moeilijker te voorspellen.

Op deze nanoschaal nieuwe fenomenen hebben voorrang op die welke de scepter zwaaien in de macrowereld. Kwantumeffecten zoals tunneling en atomistische wanorde domineren de kenmerken van deze apparaten op nanoschaal. Fundamentele vragen over hoe verschillende materialen en configuraties zich op deze schaal gedragen, moeten worden beantwoord.

"Verdere verbeteringen in deze dimensies zullen alleen komen door gedetailleerd en geoptimaliseerd apparaatontwerp en betere integratie, " zei Gerhard Klimeck, een professor in elektrische en computertechniek aan de Purdue University en directeur van het Network for Computational Nanotechnology daar.

Het is op de schaal van atomen geleid door nanoschaal- en kwantuminteracties dat Klimeck werkt. Hij leidt een team dat een van de belangrijkste softwaretools heeft ontwikkeld die door academici worden gebruikt, halfgeleiderbedrijven en studenten om het toekomstige gedrag van transistors op nanoschaal te voorspellen.

Genaamd NEMO5 (de vijfde editie van de NanoElectronics Modeling Tools), de software simuleert de multiscale, multifysische verschijnselen die optreden wanneer een elektrische lading door een transistor van enkele atomen gaat. Daarbij, NEMO helpt onderzoekers bij het ontwerpen van toekomstige generaties nano-elektronische apparaten, inclusief transistors en kwantumdots, zelfs voordat ze fysiek kunnen worden geproduceerd, en voorspelt apparaatprestaties en fenomenen die onderzoekers anders niet zouden kunnen onderzoeken.

"Er zijn geen computerondersteunde ontwerptools die deze apparaten in atomistische zin kunnen modelleren, "Zei Klimeck. "Alle standaardgereedschappen voor het ontwerpen van halfgeleiderapparaten die er zijn, gaan ervan uit dat materie soepel en continu is en negeren het bestaan ​​van atomen."

Maar atomen bestaan, en er moet rekening worden gehouden met hun gedrag bij het ontwerpen van apparaten met een diameter van slechts enkele atomen.

"Wat we aan het bouwen zijn, is een technisch hulpmiddel dat zal worden gebruikt bij het begrijpen en ontwerpen van apparaten die aan het einde van de wet van Moore zijn, ’ merkte Klimeck op.

Met een Petascale Computing Resource Allocation-prijs van de National Science Foundation, De groep van Klimeck gebruikt de Blue Waters-supercomputer van het National Center for Supercomputing Applications om de grenzen van de huidige halfgeleidertechnologieën en de mogelijkheden van toekomstige technologieën te bestuderen. Blue Waters is een van 's werelds krachtigste machines voor simulatie, modellering en data-analyse.

Mehdi Salmani en SungGeun Kim, voorheen Ph.D. studenten in de groep van Klimeck, gebruikte Blue Waters om verschillende apparaten en configuraties te modelleren voor de International Technology Roadmap for Semiconductors. Ze onderzochten of de steeds kleinere apparaten die naar verwachting in de komende 15 jaar beschikbaar zullen zijn, fysiek haalbaar zijn. Ze bepaalden ook welke impact kwantumeffecten zoals verstrooiing en opsluiting kunnen hebben op de prestaties als apparaten krimpen tot kritische drempels.

Simulaties door het team van Klimeck hebben belangrijke afwijkingen gevonden in de kenmerken van apparaten als ze worden verkleind, vragen stellen over toekomstige apparaatontwerpen. Hun resultaten werden in 2014 opgenomen in de ITRS-roadmap en helpen de richting van veel van de grootste halfgeleiderbedrijven bij hun planning en toekomstig onderzoek en ontwikkeling.

Het team van Klimeck gebruikte Blue Waters ook om alternatieve materialen te onderzoeken die silicium in toekomstige apparaten zouden kunnen vervangen. Deze omvatten indiumarsenide en indiumantimonide, evenals exotische materialen zoals grafeen, koolstofnanobuizen en topologische isolatoren voor kwantumspincomputers.

De resultaten van hun simulaties werden gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie in april 2014 en in Technische Natuurkunde Brieven in augustus 2014.

NEMO5, en zijn voorgangers OMEN en NEMO3D, voed negen applicaties op nanoHUB, een website met een groeiende verzameling simulatieprogramma's voor het modelleren van fenomenen op nanoschaal. Sinds ze bijna 15 jaar geleden werden vrijgelaten, meer dan 19, 000 onderzoekers hebben meer dan 367, 000 simulaties met behulp van de NEMO-familie van tools. NEMO en OMEN zijn gebruikt in 381 lessen aan instellingen over de hele wereld en zijn geciteerd in 84 artikelen in de wetenschappelijke literatuur.

"De publieke beschikbaarheid van dergelijke tools ondersteunt snelle innovatie en versnelt de adoptie van disruptieve technologieën in de hightech-apparaten van morgen, " zei Keith Roper, die toezicht houdt op het Network for Computational Nanotechnology-programma in de Engineering-directoraat van NSF.

Door krachtige modelleringstools zoals NEMO5 te combineren met een krachtig modelleringssysteem zoals Blue Waters, kunnen Klimeck en honderden andere onderzoekers vragen stellen en oplossingen vinden die veel verder gaan dan wat ze in het verleden konden oplossen.

"Het typische probleem dat we moeten aanpakken heeft misschien 100, 000 tot een miljoen atomen, "Zei Klimeck. "Tien jaar geleden zouden mensen me hebben verteld dat dat niet oplosbaar is. Je kunt geen computer krijgen die groot genoeg is. Nu het petascale Blue Waters-systeem beschikbaar is, we kunnen dit soort problemen oplossen en helpen bij het ontwerpen van halfgeleiders die voortdurende technologische groei mogelijk maken."