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  • Investigadores de nanoelectrónica emplean a Titan para una aceleración de simulación electrizante

    Distribución espacial de la corriente de electrones que fluye a través de un transistor de efecto de campo de nanocables de puerta de silicio compuesto por 55, 488 átomos. Se aplica un voltaje (V) a la estructura. La mitad de la capa de recubrimiento de óxido se elimina para iluminar el interior del transistor donde los átomos se colorean de acuerdo con la corriente que transportan:verde significa que no hay corriente, mientras que el rojo indica una alta concentración.

    Los investigadores de ETH Zurich están utilizando la supercomputadora más rápida de Estados Unidos para lograr grandes avances en la comprensión de los dispositivos electrónicos más pequeños.

    El equipo, dirigido por Mathieu Luisier, se centra en desarrollar aún más la primera línea de la investigación en electrónica, simulando y comprendiendo mejor los componentes a nanoescala, como transistores o electrodos de batería, cuyas regiones activas pueden ser del orden de una mil millonésima parte de un metro, o tanto como le crezcan las uñas en un segundo.

    Aunque las escalas de los objetos investigados son pequeñas, el equipo ha avanzado mucho hacia códigos computacionales más eficientes. Su investigación fue seleccionada como finalista para el Premio Gordon Bell de la Asociación de Maquinaria de Computación de este año, uno de los premios más prestigiosos de la supercomputación.

    La presentación del premio del equipo es el resultado de una investigación realizada en la supercomputadora Cray XK7 Titan de Oak Ridge Leadership Computing Facility. La OLCF es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Ubicada en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

    Laptops Los teléfonos móviles y otros dispositivos electrónicos son cada vez más baratos y accesibles, al tiempo que se vuelven cada vez más sofisticados. Estos avances se deben en gran parte a las dimensiones cada vez más reducidas de sus componentes electrónicos.

    Sin embargo, El desarrollo de hardware de próxima generación ahora requiere que los científicos e ingenieros comprendan las interacciones de los materiales en escalas de tiempo y tamaño extremadamente pequeñas. investigadores líderes en aumentar los experimentos con simulación.

    "Nuestro objetivo es estudiar dispositivos a nanoescala, como nanotransistores, baterías o una variedad de otros dispositivos nuevos, como memorias de computadora, interruptores ópticos o diodos emisores de luz a nivel atómico, ", Dijo Luisier." Si desea que estas simulaciones sean precisas y verdaderamente predictivas, necesitas usar el llamado ab initio, o desde los primeros principios, métodos de simulación ".

    Esencialmente, Las simulaciones ab initio permiten a los investigadores modelar cualquier sistema atómico desde cero sin la necesidad de parámetros de material precalibrados. Por supuesto, alcanzar tal nivel de precisión no es gratis. El precio es un aumento de mil veces en complejidad computacional en comparación con, por ejemplo, enfoques semiempíricos que utilizan entradas de experimentos para simplificar el cálculo.

    Los investigadores que estudian nanoelectrónica, por lo tanto, normalmente tienen que hacer un compromiso entre simular un tamaño de sistema realista (al menos 10, 000 átomos) y utilizando métodos ab initio de alta precisión.

    A este punto, aunque, La mayoría de los paquetes de software ab initio se centran en el cálculo de propiedades de materiales como estructuras cristalinas y electrónicas. vibraciones de celosía, o diagramas de fase y no tienen en cuenta las condiciones reales de funcionamiento - bajo la aplicación de voltaje externo, una corriente de electrones comienza a fluir a través de nanoestructuras activas. Estos fenómenos de transporte son computacionalmente muy exigentes y requieren un enfoque de modelado dedicado.

    Luisier y su equipo, por lo tanto, desarrolló un método para realizar simulaciones de transporte ab initio que son lo suficientemente grandes como para investigar nanoestructuras con tamaños relevantes para la industria y grupos experimentales. Solo necesitaban la máquina adecuada para probarlo.

    Dos códigos de socio, un objetivo

    Los circuitos integrados de hoy están compuestos por hasta varios miles de millones de transistores que están empaquetados en un área que no excede un par de centímetros cuadrados. Con nanoelectrónica, se podrían colocar miles de nanotransistores fabricados actualmente en el ancho de un cabello humano. Estos sistemas son tan pequeños que los investigadores deben recurrir a la teoría cuántica para comprender sus propiedades.

    El equipo utiliza dos paquetes de software diferentes para realizar esta tarea. El código de comunidad CP2K, desarrollado y mantenido por el profesor de ETH Zurich Joost VandeVondele, proporciona la descripción ab initio de nanoestructuras, mientras que el código OMEN del grupo de Luisier realiza las simulaciones de transporte cuántico basadas en las entradas de CP2K. Combinando CP2K y OMEN, el equipo puede obtener una perspectiva única de "material + dispositivo" de los sistemas atómicos.

    Luisier explicó que existen dos desafíos principales para simular el transporte a través de componentes nanoelectrónicos. Primero, los investigadores deben calcular lo que ellos llaman condiciones de frontera abierta que acoplan la simulación con su entorno circundante y permiten los flujos de corriente. Como segundo paso, deben incorporar los bloques de límites creados en el hamiltoniano, una matriz que contiene todas las interacciones interatómicas que caracterizan al dispositivo, y finalmente deben resolver el escaso sistema lineal de ecuaciones resultante. Usando este enfoque, Las simulaciones típicas de vanguardia dentro del campo pueden modelar con precisión alrededor de 1, 000 átomos.

    Con la aparición de supercomputadoras híbridas, el equipo se dio cuenta de que necesitaban un nuevo enfoque de simulación capaz de aprovechar el potencial de las CPU y los aceleradores de GPU. Teniendo esta idea en mente, dos estudiantes de doctorado en el grupo de Luisier, Sascha Bruck y Mauro Calderara, implementó un esquema original que permite al equipo calcular simultáneamente las condiciones de límite abierto en las CPU y crear la matriz hamiltoniana adecuada en las GPU antes de una breve fase de posprocesamiento, luego combine ambos resultados. Este tour de force no solo ayudó a descargar el trabajo a las GPU, sino que también atacó el problema en dos frentes al mismo tiempo, reduciendo significativamente el tiempo de simulación.

    "Lo que nos permitió ser mucho más rápidos y tratar estructuras de dispositivos realmente grandes es que encontramos una manera de realizar la mayor parte del trabajo de manera eficiente, resolver el sistema lineal, en los nodos de cómputo de Titán, utilizando GPU extremadamente rápidas, mientras mantiene ocupadas las CPU con el cálculo de las condiciones de contorno al mismo tiempo, "Dijo Luisier.

    El equipo probó por primera vez su método en la máquina Piz Daint del Centro Nacional de Supercomputación de Suiza, haciendo crecer la simulación de 1, 000 átomos a 15, 000. Para Luisier, esto fue extremadamente alentador, pero creía que el equipo podía hacer más.

    Después de estas ejecuciones iniciales y exitosas, el equipo recibió tiempo en Titán como parte del programa Discrecional del Director. Pasando de Piz Daint, con sus 5, Más de 000 nodos de cómputo, a Titán - con más de 18, 000 nodos:permitieron al equipo realizar una simulación con 50, 000 átomos, superando fácilmente el punto de referencia anterior. Luisier también señaló que llegar a un 50, La simulación de 000 átomos ni siquiera usó toda la potencia de supercomputación de Titán, lo que significa que las simulaciones más grandes no son solo teóricas, pero probablemente en el futuro cercano.

    Al encontrar un método para realizar cálculos de transporte cuántico ab initio en un sistema tan grande, el equipo es el primero en ejecutar simulaciones que pueden corresponder con experimentos en el campo, potencialmente ayudando a avanzar en la investigación y el desarrollo de dispositivos electrónicos de próxima generación.

    "Si solo tienes 1, 000 átomos, realmente no se puede simular un dispositivo real, "Dijo Luisier." Eso requeriría simular alrededor de 10 veces más de ellos. Con el nuevo método, realmente podemos modelar algo que parezca un transistor o una unidad de almacenamiento en el nivel ab initio. Y los nanocables que hemos estado investigando ya se fabricaron hace unos 10 años cuando los experimentadores no estaban tan avanzados en la producción de estructuras pequeñas como lo están ahora. Así que el máximo de lo que podemos simular ahora va más allá de las estructuras más pequeñas que las personas pueden fabricar en el laboratorio hoy en día ".

    Aunque el rendimiento sostenido de los códigos es impresionante -15 petaflops, o 15 billones de cálculos por segundo:Luisier enfatizó que estas simulaciones no se realizaron para establecer nuevos puntos de referencia de rendimiento computacional en el campo, sino que debían seguir investigando.

    "Este es realmente un código de producción, un código que se utiliza a diario, ", Dijo Luisier." Lo que sale de estas ejecuciones no es solo FLOPS en una computadora, estos resultados se utilizan en colaboración con experimentadores en ETH Zürich y en el extranjero. Hay un par de grupos muy interesados ​​en los resultados porque pueden explicar lo que estos grupos observan en sus dispositivos experimentales, no solo en nanotransistores sino también en componentes emisores de luz o células solares de puntos cuánticos. por citar solo algunos ejemplos ".


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