Twee onderzoeksgroepen van ETH Zürich hebben een methode ontwikkeld die nano-elektronica-apparaten en hun eigenschappen realistisch kan simuleren, snel en efficiënt. Dit biedt een sprankje hoop voor zowel de industrie als de exploitanten van datacenters, die beide worstelen met de (over)verhitting die gepaard gaat met steeds kleinere en krachtigere transistoren.

Chipfabrikanten assembleren al transistors die maar een paar nanometer groot zijn. Ze zijn veel kleiner dan een mensenhaar, waarvan de diameter ongeveer 20 is, 000 nanometer in het geval van fijnere strengen. Nutsvoorzieningen, De vraag naar steeds krachtigere supercomputers drijft de industrie ertoe componenten te ontwikkelen die nog kleiner en toch krachtiger zijn.

Echter, naast natuurkundige wetten die het moeilijker maken om ultrageschaalde transistors te bouwen, het probleem van de steeds toenemende warmteafvoer plaatst fabrikanten in een lastige situatie, mede door de sterke stijging van de koelbehoefte en de daaruit voortvloeiende vraag naar energie. Het koelen van de computers is al goed voor tot 40 procent van het stroomverbruik in sommige datacenters, zoals de onderzoeksgroepen onder leiding van ETH-professoren Torsten Hoefler en Mathieu Luisier in hun laatste studie rapporteren, waarmee ze hopen een betere aanpak te kunnen ontwikkelen. Met hun studie de onderzoekers hebben de ACM Gordon Bell Prize gekregen, de meest prestigieuze prijs op het gebied van supercomputers, die jaarlijks wordt uitgereikt op de SC supercomputing-conferentie in de Verenigde Staten.

Om de nanotransistoren van vandaag efficiënter te maken, de onderzoeksgroep onder leiding van Luisier van het Integrated Systems Laboratory (IIS) aan de ETH Zürich simuleert transistors met behulp van software genaamd OMEN, dat is een zogenaamde kwantumtransportsimulator.

OMEN voert zijn berekeningen uit op basis van de zogenaamde dichtheidsfunctionaaltheorie, waardoor een realistische simulatie van transistors in atomaire resolutie en op kwantummechanisch niveau mogelijk is. Deze simulatie visualiseert hoe elektrische stroom door de nanotransistor vloeit en hoe de elektronen interageren met kristaltrillingen, zo kunnen onderzoekers nauwkeurig de locaties identificeren waar warmte wordt geproduceerd. Beurtelings, OMEN geeft ook nuttige aanwijzingen over waar er ruimte is voor verbetering.

Transistors verbeteren met behulp van geoptimaliseerde simulaties

Tot nu, conventionele programmeermethoden en supercomputers stonden onderzoekers alleen toe om warmteafvoer te simuleren in transistors bestaande uit ongeveer 1, 000 atomen, omdat datacommunicatie tussen de processors en geheugenvereisten het onmogelijk maakten om een ​​realistische simulatie van grotere objecten te produceren.

De meeste computerprogramma's besteden het grootste deel van hun tijd niet aan het uitvoeren van computerbewerkingen, maar eerder het verplaatsen van gegevens tussen processors, hoofdgeheugen en externe interfaces. Volgens de wetenschappers OMEN had ook last van een uitgesproken knelpunt in de communicatie, wat de prestaties belemmerde. "De software wordt al gebruikt in de halfgeleiderindustrie, maar er is aanzienlijke ruimte voor verbetering in termen van de numerieke algoritmen en parallellisatie, ' zegt Luisier.

Tot nu, de parallellisatie van OMEN is ontworpen volgens de fysica van het elektrothermische probleem, zoals Luisier uitlegt. Nutsvoorzieningen, doctoraat student Alexandros Ziogas en de postdoc Tal Ben-Nun - werkend onder Hoefler, hoofd van het Scalable Parallel Computing Laboratory aan de ETH Zürich - hebben niet gekeken naar de fysica, maar naar de afhankelijkheden tussen de gegevens. Ze reorganiseerden de computerbewerkingen volgens deze afhankelijkheden, effectief zonder rekening te houden met de onderliggende fysica. Bij het optimaliseren van de code, ze hadden de hulp van twee van de krachtigste supercomputers ter wereld - "Piz Daint" in het Swiss National Supercomputing Center (CSCS) en "Summit" in het Oak Ridge National Laboratory in de VS, de laatste is de snelste supercomputer ter wereld. Volgens de onderzoekers is de resulterende code - genaamd DaCe OMEN - produceerde simulatieresultaten die net zo nauwkeurig waren als die van de originele OMEN-software.

Voor de eerste keer, DaCe OMEN heeft het onderzoekers naar verluidt mogelijk gemaakt om een ​​realistische simulatie te maken van transistors die tien keer zo groot zijn. bestaat uit 10, 000 atomen, op hetzelfde aantal processors - en tot 14 keer sneller dan de oorspronkelijke methode voor 1, 000 atomen. Algemeen, DaCe OMEN is twee ordes van grootte efficiënter dan OMEN:op Summit, het was mogelijk om te simuleren, onder andere, een realistische transistor tot 140 keer sneller met een aanhoudende prestatie van 85,45 petaflops per seconde - en inderdaad met dubbele precisie op 4, 560 computerknooppunten. Deze extreme verhoging van de rekensnelheid heeft de onderzoekers de Gordon Bell Prize opgeleverd.

Datacentrisch programmeren

De wetenschappers bereikten deze optimalisatie door de principes van data-centric parallel programming (DAPP) toe te passen, die is ontwikkeld door de onderzoeksgroep van Hoefler. Hier, het doel is het datatransport en daarmee de communicatie tussen de verwerkers te minimaliseren. "Dit type programmering stelt ons in staat om niet alleen zeer nauwkeurig te bepalen waar deze communicatie op verschillende niveaus van het programma kan worden verbeterd, maar ook hoe we specifieke computerintensieve secties kunnen afstemmen, bekend als computationele kernels, binnen de berekening voor een enkele staat, ", zegt Ben-Nun. Deze multilevel-aanpak maakt het mogelijk om een ​​applicatie te optimaliseren zonder deze elke keer opnieuw te hoeven schrijven.

Gegevensverplaatsingen worden ook geoptimaliseerd zonder de oorspronkelijke berekening te wijzigen - en voor elke gewenste computerarchitectuur. "Als we de code optimaliseren voor de doelarchitectuur, we veranderen het nu alleen vanuit het perspectief van de performance engineer, en niet die van de programmeur - dat wil zeggen, de onderzoeker die het wetenschappelijke probleem in code vertaalt, " zegt Hoefler. Dit, hij zegt, leidt tot de oprichting van een zeer eenvoudige interface tussen computerwetenschappers en interdisciplinaire programmeurs.

De toepassing van DaCe OMEN heeft aangetoond dat de meeste warmte wordt gegenereerd aan het einde van het nanotransistorkanaal en onthulde hoe het zich vanaf daar verspreidt en het hele systeem beïnvloedt. De wetenschappers zijn ervan overtuigd dat het nieuwe proces voor het simuleren van dit soort elektronische componenten verschillende toepassingsmogelijkheden heeft. Een voorbeeld is de productie van lithiumbatterijen, wat tot onaangename verrassingen kan leiden als ze oververhit raken.