Visualizaciones de futuros nanotransistores, en el sentido de las agujas del reloj comenzando en la parte superior izquierda:a) La imagen muestra la organización de los átomos en un transistor de cuerpo ultradelgado (UTB) y la cantidad de potencial eléctrico a lo largo del transistor. b) Esta es una visualización de la organización de los átomos en un material puro. Cada átomo (en rojo) está rodeado por una capa gris, que representa el campo de interacción de cada átomo. c) Los puntos cuánticos son partículas a nanoescala, con diámetros aproximadamente 1000 veces más pequeños que el diámetro del cabello humano. Esta imagen muestra la magnitud de las fuerzas de deformación en la superficie del núcleo de un punto cuántico. d) El núcleo de un punto cuántico puede tener diferentes formas y composición. Ambos factores afectan los niveles de energía dentro de un punto cuántico. Esta figura en azul claro representa la intensidad de un nivel de energía dentro de un punto cuántico con un núcleo cónico (en rojo). Crédito:Instituto de Modelado Nanoelectrónico (iNEMO) dirigido por Gerhard Klimeck
Un incansable esfuerzo global para reducir los transistores ha hecho que las computadoras sean cada vez más rápidas, más barato y más pequeño en los últimos 40 años. Este esfuerzo ha permitido a los fabricantes de chips duplicar la cantidad de transistores en un chip aproximadamente cada 18 meses, una tendencia conocida como Ley de Moore. En el proceso, la industria de semiconductores de EE. UU. se ha convertido en una de las industrias de exportación más grandes del país, valorado en más de $ 65 mil millones al año.
La base del éxito de esta industria ha sido el desarrollo de chips cada vez más capaces. Sin embargo, de acuerdo con la Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores (ITRS), que identifica los desafíos tecnológicos y las necesidades de la industria de los semiconductores durante los próximos 15 años, Las señales apuntan a una disrupción en estas tendencias de larga duración.
El tamaño del transistor seguirá disminuyendo durante una década, alcanzando aproximadamente 5 nanómetros de largo y 1 nanómetro (o aproximadamente 5 átomos) de ancho en su región activa crítica. Más allá de ese punto, lo que sucede es más difícil de predecir.
A esta nanoescala, los nuevos fenómenos tienen prioridad sobre los que dominan el macromundo. Los efectos cuánticos como la formación de túneles y el desorden atomístico dominan las características de estos dispositivos a nanoescala. Es necesario responder a preguntas fundamentales sobre cómo se comportan varios materiales y configuraciones a esta escala.
"Las mejoras adicionales en estas dimensiones solo se lograrán mediante un diseño de dispositivo detallado y optimizado y una mejor integración, "dijo Gerhard Klimeck, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Purdue y director de la Red de Nanotecnología Computacional allí.
Es a la escala de átomos guiados por interacciones cuánticas y a nanoescala donde Klimeck trabaja. Lidera un equipo que desarrolló una de las principales herramientas de software utilizadas por los académicos, empresas de semiconductores y estudiantes para predecir el comportamiento futuro de los transistores a nanoescala.
Llamado NEMO5 (la quinta edición de NanoElectronics MOdeling Tools), el software simula la multiescala, Fenómenos multifísicos que ocurren cuando una carga eléctrica pasa a través de un transistor de pocos átomos de ancho. Al hacerlo, NEMO ayuda a los investigadores a diseñar futuras generaciones de dispositivos nanoelectrónicos, incluyendo transistores y puntos cuánticos, incluso antes de que puedan producirse físicamente, y predice el rendimiento de los dispositivos y los fenómenos que los investigadores de otro modo no podrían explorar.
"No existen herramientas de diseño asistido por computadora que puedan modelar estos dispositivos en un sentido atomístico, ", Dijo Klimeck." Todas las herramientas de diseño de dispositivos semiconductores estándar que existen asumen que la materia es suave y continua e ignoran la existencia de átomos ".
Esta imagen representa una representación interna de un transistor de cuerpo ultradelgado (UTB). La posición de los átomos y sus enlaces químicos se presentan junto con la cantidad de potencial eléctrico en el transistor. El potencial eléctrico se puede ver como superficies coloreadas superpuestas con la estructura. Crédito:Instituto de Modelado Nanoelectrónico (iNEMO) dirigido por Gerhard Klimeck
Pero los átomos existen y su comportamiento debe tenerse en cuenta al diseñar dispositivos con solo unos pocos átomos de diámetro.
"Lo que estamos construyendo es una herramienta de ingeniería que se utilizará en la comprensión y el diseño de dispositivos que se encuentran al final de la Ley de Moore, "Señaló Klimeck.
Con un premio Petascale Computing Resource Allocation de la National Science Foundation, El grupo de Klimeck está utilizando la supercomputadora Blue Waters en el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación para estudiar los límites de las tecnologías de semiconductores actuales y las posibilidades de las futuras. Blue Waters es una de las máquinas de simulación más potentes del mundo, modelado y análisis de datos.
Mehdi Salmani y SungGeun Kim, anteriormente Ph.D. estudiantes del grupo de Klimeck, utilizó Blue Waters para modelar varios dispositivos y configuraciones para la Hoja de ruta tecnológica internacional para semiconductores. Exploraron si los dispositivos cada vez más pequeños que se prevé estarán disponibles en los próximos 15 años son físicamente factibles. También determinaron qué impacto podrían tener los efectos cuánticos como la dispersión y el confinamiento en el rendimiento a medida que los dispositivos se reducen a umbrales críticos.
Las simulaciones del equipo de Klimeck encontraron desviaciones importantes en las características de los dispositivos a medida que se reducen, planteando preguntas sobre futuros diseños de dispositivos. Sus resultados se incluyeron en la hoja de ruta de ITRS en 2014 y están ayudando a orientar la dirección de muchas de las empresas de semiconductores más grandes en su planificación e investigación y desarrollo futuros.
El equipo de Klimeck también utilizó Blue Waters para explorar materiales alternativos que pueden reemplazar al silicio en dispositivos futuros. Estos incluyen arseniuro de indio y antimonuro de indio, así como materiales exóticos como el grafeno, nanotubos de carbono y aislantes topológicos para computadoras de espín cuántico.
Un mapa de uso de las herramientas de modelado de nanosimulación NEMO y OMEN. Crédito:Instituto de Modelado Nanoelectrónico (iNEMO) dirigido por Gerhard Klimeck
Los resultados de sus simulaciones se publicaron en Nanotecnología de la naturaleza en abril de 2014 y en Letras de física aplicada en agosto de 2014.
NEMO5, y sus predecesores OMEN y NEMO3D, potencia nueve aplicaciones en nanoHUB, un sitio web que alberga una colección creciente de programas de simulación para modelar fenómenos a nanoescala. Desde que fueron liberados hace casi 15 años, más de 19, 000 investigadores han superado los 367, 000 simulaciones utilizando la familia de herramientas NEMO. NEMO y OMEN se han utilizado en 381 clases en instituciones de todo el mundo y se han citado en 84 artículos de la literatura científica.
"La disponibilidad pública de tales herramientas respalda la innovación rápida y acelera la adopción de tecnologías disruptivas en los dispositivos de alta tecnología del mañana, "dijo Keith Roper, quien supervisa el programa Red de Nanotecnología Computacional en la Dirección de Ingeniería de NSF.
La combinación de herramientas de modelado de alto rendimiento como NEMO5 con un sistema de modelado de alto rendimiento como Blue Waters permite a Klimeck y a cientos de otros investigadores hacer preguntas y encontrar soluciones mucho más allá de las que podían abordar en el pasado.
"El problema típico que tenemos que resolver tiene quizás 100, 000 a un millón de átomos, ", Dijo Klimeck." Hace diez años la gente me habría dicho que eso no tiene solución. No se puede conseguir una computadora que sea lo suficientemente grande. Ahora que el sistema Blue Waters de petaescala está disponible, podemos resolver este tipo de problemas y ayudar a diseñar semiconductores que permitan un crecimiento tecnológico continuo ".
