Onderzoekers van ETH Zürich gebruiken de snelste supercomputer van Amerika om enorme vooruitgang te boeken in het begrijpen van de kleinste elektronische apparaten.

Het team, onder leiding van Mathieu Luisier, richt zich op de verdere ontwikkeling van de frontlinie van elektronica-onderzoek - het simuleren en beter begrijpen van nanoschaalcomponenten zoals transistors of batterijelektroden waarvan de actieve regio's in de orde van grootte van een miljardste van een meter kunnen zijn, of ongeveer net zo lang als je vingernagels in één seconde groeien.

Hoewel de schalen van de onderzochte objecten klein zijn, het team heeft grote vooruitgang geboekt in de richting van efficiëntere computationele codes. Zijn onderzoek werd dit jaar geselecteerd als finalist voor de Gordon Bell Prize van de Association of Computing Machinery, een van de meest prestigieuze prijzen in supercomputing.

De inzending van het team is het resultaat van onderzoek dat is uitgevoerd op de Cray XK7 Titan-supercomputer van de Oak Ridge Leadership Computing Facility. De OLCF is een gebruikersfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science in het Oak Ridge National Laboratory.

laptops, mobiele telefoons en andere elektronische apparaten worden steeds goedkoper en toegankelijker, terwijl ze ook steeds geavanceerder worden. Deze vooruitgang is grotendeels te danken aan de steeds kleiner wordende afmetingen van hun elektronische componenten.

Echter, het ontwikkelen van hardware van de volgende generatie vereist nu dat wetenschappers en ingenieurs materiële interacties begrijpen op extreem kleine tijd- en grootteschalen, vooraanstaande onderzoekers om experimenten uit te breiden met simulatie.

"Ons doel is om apparaten op nanoschaal te bestuderen, zoals nanotransistoren, batterijen of een verscheidenheid aan andere nieuwe apparaten zoals computergeheugens, optische schakelaars of lichtgevende dioden op atomair niveau, " zei Luisier. "Als je deze simulaties nauwkeurig en echt voorspellend wilt maken, u moet zogenaamde ab initio gebruiken, of uit de eerste beginselen, simulatiemethoden."

Eigenlijk, Met ab initio-simulaties kunnen onderzoekers elk atomair systeem helemaal opnieuw modelleren zonder dat vooraf gekalibreerde materiaalparameters nodig zijn. Natuurlijk, het bereiken van een dergelijk niveau van nauwkeurigheid is niet gratis. De prijs is een duizendvoudige toename in computationele complexiteit vergeleken met, bijvoorbeeld, semi-empirische benaderingen die input van experimenten gebruiken om de berekening te vereenvoudigen.

Onderzoekers die nano-elektronica bestuderen, moeten dus meestal een compromis sluiten tussen het simuleren van een realistische systeemgrootte (minstens 10, 000 atomen) en met behulp van zeer nauwkeurige ab initio-methoden.

Tot dit punt, Hoewel, de meeste ab initio softwarepakketten richten zich op de berekening van materiaaleigenschappen zoals kristal- en elektronische structuren, rooster trillingen, of fasediagrammen en houden geen rekening met de werkelijke bedrijfsomstandigheden - onder toepassing van externe spanning, een elektronenstroom begint te vloeien door actieve nanostructuren. Deze transportfenomenen zijn rekenkundig zeer veeleisend en vereisen een specifieke modelleringsaanpak.

Luisier en zijn team, daarom, ontwikkelde een methode voor het doen van ab initio transportsimulaties die groot genoeg zijn om nanostructuren te onderzoeken met afmetingen die relevant zijn voor de industrie en experimentele groepen. Ze hadden alleen de juiste machine nodig om het te testen.

Twee partnercodes, één doel

Geïntegreerde schakelingen van tegenwoordig zijn samengesteld uit tot enkele miljarden transistors die dicht op elkaar staan ​​op een gebied dat niet groter is dan een paar vierkante centimeter. Met nano-elektronica, men zou duizenden van de momenteel vervaardigde nanotransistoren in de breedte van een mensenhaar kunnen passen. Deze systemen zijn zo klein dat onderzoekers hun toevlucht moeten nemen tot de kwantumtheorie om hun eigenschappen te begrijpen.

Het team gebruikt twee verschillende softwarepakketten om deze taak te volbrengen. De communitycode CP2K, ontwikkeld en onderhouden door ETH Zürich professor Joost VandeVondele, geeft de ab initio beschrijving van nanostructuren, terwijl de OMEN-code van de groep van Luisier de kwantumtransportsimulaties uitvoert op basis van de invoer van CP2K. Door CP2K en OMEN te combineren, het team kan een uniek 'materiaal + apparaat'-perspectief van atomaire systemen krijgen.

Luisier legde uit dat er twee belangrijke uitdagingen zijn voor het simuleren van transport via nano-elektronische componenten. Eerst, onderzoekers moeten berekenen wat zij open randvoorwaarden noemen die de simulatie koppelen aan de omgeving en stroomstromen mogelijk maken. Als tweede stap, ze moeten de gecreëerde grensblokken opnemen in de Hamiltoniaan, een matrix die alle interatomaire interacties bevat die kenmerkend zijn voor het apparaat, en tenslotte moeten ze het resulterende schaarse lineaire systeem van vergelijkingen oplossen. Met behulp van deze aanpak, typische state-of-the-art simulaties binnen het veld kunnen nauwkeurig modelleren rond 1, 000 atomen.

Met de opkomst van hybride supercomputers, het team realiseerde zich dat ze een nieuwe simulatie-aanpak nodig hadden die het potentieel van CPU's en GPU-versnellers kon benutten. Met dit idee in gedachten, twee promovendi in de groep van Luisier, Sascha Bruck en Mauro Calderara, een origineel schema geïmplementeerd waardoor het team tegelijkertijd de open randvoorwaarden op de CPU's kan berekenen en de juiste Hamilton-matrix op de GPU's kan maken vóór een korte nabewerkingsfase, combineer vervolgens beide resultaten. Deze krachttoer hielp niet alleen het werk naar de GPU's te verplaatsen, maar viel het probleem ook op twee fronten tegelijk aan, simulatietijd aanzienlijk verkorten.

"Wat ons in staat stelde zoveel sneller te worden en echt grote apparaatstructuren te behandelen, is dat we een manier hebben gevonden om het meeste werk efficiënt uit te voeren, het lineaire systeem oplossen, op de rekenknooppunten van Titan, met behulp van extreem snelle GPU's, terwijl de CPU's nog steeds bezig zijn met het berekenen van de randvoorwaarden, ' zei Luisier.

Het team testte zijn methode eerst op de Piz Daint-machine van het Zwitserse nationale supercomputercentrum, de simulatie laten groeien van 1, 000 atomen tot 15, 000. Voor Luisier, dit was zeer bemoedigend, maar hij geloofde dat het team meer kon doen.

Na deze eerste en succesvolle runs, het team kreeg tijd op Titan als onderdeel van het discretionaire programma van de regisseur. Verhuizen van Piz Daint, met zijn 5, 000-plus rekenknooppunten, naar Titan - met meer dan 18, 000 nodes - stelde het team in staat een simulatie uit te voeren met 50, 000 atomen, gemakkelijk de eerdere benchmark verslaan. Luisier merkte ook op dat het bereiken van een 50, 000-atoomsimulatie gebruikte niet eens alle supercomputerkracht van Titan, wat betekent dat grotere simulaties niet alleen theoretisch zijn, maar waarschijnlijk, in de nabije toekomst.

Door een methode te vinden om ab initio quantumtransportberekeningen uit te voeren op zo'n groot systeem, het team is de eerste die simulaties uitvoert die kunnen overeenkomen met experimenten in het veld, mogelijk helpen bij het bevorderen van onderzoek en ontwikkeling voor elektronische apparaten van de volgende generatie.

"Als je er maar 1 hebt 000 atomen, je kunt niet echt een echt apparaat simuleren, "Zei Luisier. "Daarvoor zouden er ongeveer 10 keer zoveel moeten worden gesimuleerd. Met de nieuwe methode we kunnen echt iets modelleren dat op een transistor of een opslageenheid lijkt op ab initio-niveau. En de nanodraden die we hebben onderzocht, zijn al zo'n 10 jaar geleden gefabriceerd toen experimentatoren niet zo geavanceerd waren in het produceren van kleine structuren als nu. Dus het maximum van wat we nu kunnen simuleren, gaat verder dan de kleinste constructies die mensen tegenwoordig in het laboratorium kunnen maken."

Hoewel de aanhoudende prestaties van de codes indrukwekkend zijn -15 petaflops, of 15 biljard berekeningen per seconde - Luisier benadrukte dat deze simulaties niet werden uitgevoerd om nieuwe benchmarks voor rekenprestaties in het veld vast te stellen, maar waren eerder voor verder onderzoek.

"Dit is echt een productiecode, een code die dagelijks wordt gebruikt, Luisier zei. "Wat uit deze runs komt, is niet alleen FLOPS op een computer - deze resultaten worden gebruikt in samenwerking met experimentatoren aan de ETH Zürich en in het buitenland. Er zijn een aantal groepen erg geïnteresseerd in de resultaten omdat ze kunnen verklaren wat deze groepen waarnemen in hun experimentele apparaten - niet alleen in nanotransistoren maar ook in lichtemitterende componenten of quantum dot zonnecellen, om maar een paar voorbeelden te noemen."