Diseñados a partir del mismo elemento que se encuentra en la arena y cubiertos por patrones intrincados, los microchips alimentan los teléfonos inteligentes, mejoran los electrodomésticos y ayudan al funcionamiento de automóviles y aviones.
Ahora, los científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) están desarrollando códigos de simulación por computadora que superarán las técnicas de simulación actuales y ayudarán a la producción de microchips que utilizan plasma, el estado de carga eléctrica de la materia que también se utiliza en la investigación de la fusión. .
Estos códigos podrían ayudar a aumentar la eficiencia del proceso de fabricación y potencialmente estimular el renacimiento de la industria de chips en los Estados Unidos.
"Debido a que los dispositivos con microchips son esenciales para nuestra vida diaria, cómo y dónde se fabrican es una cuestión de seguridad nacional", dijo Igor Kaganovich, físico investigador principal que dirige el grupo de modelado de baja temperatura en PPPL.
"Las herramientas de simulación robustas y fiables que pueden predecir con precisión el comportamiento del plasma y acortar el ciclo de fabricación y diseño de chips de silicio podrían ayudar a Estados Unidos a recuperar un papel de liderazgo en este campo y mantenerlo durante décadas".
Un esfuerzo de investigación de PPPL implica reducir el tiempo que necesitan las computadoras para simular reactores de plasma con microchips. Esta innovación ayudaría a la industria privada a utilizar ampliamente simulaciones más complejas y precisas y contribuiría a reducir los costos de los microchips.
"A las empresas les gustaría utilizar simulaciones para mejorar sus procesos, pero normalmente son costosas desde el punto de vista computacional", afirmó Andrew Tasman Powis, coautor del artículo que informa los resultados en Physics of Plasmas. e investigador asociado computacional en PPPL. "Estamos haciendo todo lo posible para contrarrestar esta tendencia."
Los físicos normalmente quieren que las simulaciones reproduzcan el plasma con la mayor precisión posible, generando imágenes virtuales que revelen las complejidades del comportamiento del plasma con detalles muy finos. Ese proceso requiere algoritmos, programas que siguen un conjunto de reglas, que simulan plasma en incrementos de tiempo muy cortos y en pequeños volúmenes de espacio.
El problema es que simulaciones tan detalladas requieren computadoras potentes que funcionen durante días o semanas seguidas. Ese plazo es demasiado largo y costoso para las empresas que desean utilizar las simulaciones para mejorar sus procesos de fabricación de microchips.
Los investigadores profundizaron en la historia de la física del plasma para encontrar algoritmos ya desarrollados que podrían acortar la cantidad de tiempo necesaria para simular el plasma en microchips. Los investigadores encontraron algoritmos adecuados de los años 80; Cuando se probaron, los algoritmos demostraron la capacidad de modelar sistemas de plasma con microchips en mucho menos tiempo y con solo una pequeña reducción en la precisión.
En esencia, los investigadores descubrieron que podían obtener buenas simulaciones incluso aunque modelaran partículas de plasma en espacios más grandes y utilizaran incrementos de tiempo más largos.
"Este desarrollo es importante porque podría ahorrar tiempo y dinero a las empresas", afirmó Haomin Sun, investigador principal del estudio y ex estudiante de posgrado en el Programa de Física del Plasma de la Universidad de Princeton, con sede en PPPL.
"Eso significa que con la misma cantidad de recursos computacionales, se pueden crear más simulaciones. Más simulaciones no sólo permiten encontrar formas de mejorar la fabricación, sino también aprender más física en general. Podemos hacer más descubrimientos utilizando nuestros recursos limitados. "
Una investigación relacionada dirigida por Powis refuerza esta posibilidad. En un artículo publicado en Physics of Plasmas , Powis confirma que los códigos informáticos pueden generar modelos precisos de partículas de plasma utilizando "células" virtuales o pequeños volúmenes de espacio que exceden una medida estándar en física del plasma conocida como longitud de Debye.
Este desarrollo significa que los códigos pueden, de hecho, utilizar menos celdas y reducir la necesidad de tiempo de computación. "Esta es una buena noticia porque reducir el número de celdas podría reducir el costo computacional de la simulación y, por lo tanto, mejorar el rendimiento", afirmó Powis.
Los algoritmos pueden simular los llamados "reactores de plasma acoplados capacitivamente", que crean el plasma que los ingenieros utilizan para grabar canales estrechos en una oblea de silicio. Estos pequeños conductos forman el microcircuito que permite que el microchip funcione.
"Estamos interesados en modelar este proceso para poder aprender cómo controlar las propiedades del plasma, predecir cómo serían en una nueva máquina y luego predecir las propiedades de grabado para que podamos mejorar el proceso", dijo Powis. /P>
El equipo planea probar más los algoritmos agregando los efectos de diferentes tipos de materiales de pared y electrodos. "Queremos seguir generando confianza en estos algoritmos para poder estar seguros de que los resultados son precisos", afirmó Powis.
Otro esfuerzo de investigación se centra en los errores que pueden aparecer en las simulaciones de plasma debido a las limitaciones inherentes de los propios métodos de simulación, que modelan cantidades más pequeñas de partículas de plasma que las que están presentes en el plasma real.
"Cuando se simula plasma, lo ideal sería rastrear cada partícula y saber dónde está en todo momento", dijo Sierra Jubin, estudiante de posgrado en el Programa de Física del Plasma de Princeton y autor principal de un artículo que informa los resultados en Física de los Plasmas . "Pero no tenemos una potencia informática infinita, por lo que no podemos hacer eso".
Para solucionar esta dificultad, los investigadores diseñan un código para representar millones de partículas como un gigante. partícula. Hacerlo simplifica la tarea de la computadora, pero también amplifica las interacciones de las megapartículas virtuales. Como resultado, un cambio en la proporción de partículas que se mueven a una velocidad versus cuántas se mueven a otra (un proceso conocido como termalización) ocurre más rápidamente que en la naturaleza. Básicamente, la simulación no coincide con la realidad.
"Esto es un problema porque si no abordamos esta cuestión, no modelaremos los fenómenos tal como ocurren realmente en el mundo", dijo Jubin. "Y si queremos saber cuántos electrones se mueven a una velocidad particular, generando iones o especies químicas reactivas que interactúan con los materiales utilizados para fabricar microchips, no obtendremos una imagen precisa".
Para compensar estos errores computacionales, los investigadores descubrieron que podían hacer que los volúmenes de megapartículas fueran más grandes y menos densos, silenciando sus interacciones y ralentizando los cambios en las velocidades de las partículas. "En efecto, estos resultados ponen límites a lo que es posible en las simulaciones de plasma con microchips, señalan limitaciones que debemos considerar y proponen algunas soluciones", afirmó Jubin.
Los hallazgos de Jubin refuerzan la idea de que es necesario mejorar las técnicas de simulación actuales. Ya sea porque los códigos utilizados hoy en día requieren volúmenes pequeños e incrementos de tiempo que, en conjunto, ralentizan las simulaciones o porque producen errores basados en requisitos computacionales, los científicos necesitan nuevas soluciones. "Esto es en realidad un cambio de paradigma en este campo", dijo Kaganovich, "y PPPL está liderando el camino".
El equipo incluyó investigadores de la Universidad de Princeton, el Centro Suizo de Plasma de la Escuela Politécnica Federal de Lausana, el Instituto Birla de Tecnología y Ciencia de la India, el Instituto Nacional Homi Bhabha de la India, la Universidad de Alberta en Edmonton, Applied Materials, Inc. y Sino de China. -Instituto Francés de Ingeniería y Tecnología Nuclear.
Más información: Sierra Jubin et al, Termalización numérica en simulaciones PIC 2D:estimaciones prácticas para simulaciones de plasma a baja temperatura, Física de los plasmas (2024). DOI:10.1063/5.0180421
A. T. Powis et al, Precisión del método explícito de partículas en celdas que conservan energía para simulaciones poco resueltas de descargas de plasma acopladas capacitivamente, Física de los plasmas (2024). DOI:10.1063/5.0174168
Haomin Sun et al, Métodos directos implícitos y explícitos de partículas en celdas de conservación de energía para el modelado de dispositivos de plasma acoplados capacitivamente, Física de los plasmas (2023). DOI:10.1063/5.0160853
Información de la revista: Física de los plasmas
Proporcionado por el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton
