Dos grupos de investigación de ETH Zurich han desarrollado un método que puede simular dispositivos nanoelectrónicos y sus propiedades de manera realista, Rápida y eficientemente. Esto ofrece un rayo de esperanza tanto para la industria como para los operadores de centros de datos, ambos están luchando con el (sobre) calentamiento que viene con transistores cada vez más pequeños y potentes.

Los fabricantes de chips ya están ensamblando transistores que miden solo unos pocos nanómetros de ancho. Son mucho más pequeños que un cabello humano, cuyo diámetro es aproximadamente 20, 000 nanómetros en el caso de hebras más finas. Ahora, La demanda de supercomputadoras cada vez más potentes está impulsando a la industria a desarrollar componentes aún más pequeños y potentes al mismo tiempo.

Sin embargo, además de las leyes físicas que dificultan la construcción de transistores ultraescalados, El problema de la disipación de calor cada vez mayor está poniendo a los fabricantes en una situación delicada, en parte debido a los fuertes aumentos en los requisitos de refrigeración y la demanda de energía resultante. El enfriamiento de las computadoras ya representa hasta el 40 por ciento del consumo de energía en algunos centros de datos, como informan los grupos de investigación dirigidos por los profesores de ETH Torsten Hoefler y Mathieu Luisier en su último estudio, que esperan que permita desarrollar un mejor enfoque. Con su estudio, los investigadores han sido galardonados con el premio ACM Gordon Bell, el premio más prestigioso en el área de supercomputadoras, que se otorga anualmente en la conferencia de supercomputación SC en los Estados Unidos.

Para hacer que los nanotransistores actuales sean más eficientes, el grupo de investigación dirigido por Luisier del Laboratorio de Sistemas Integrados (IIS) en ETH Zurich simula transistores utilizando un software llamado OMEN, que es un llamado simulador de transporte cuántico.

OMEN ejecuta sus cálculos basándose en lo que se conoce como teoría funcional de densidad, permitiendo una simulación realista de transistores en resolución atómica y a nivel mecánico cuántico. Esta simulación visualiza cómo fluye la corriente eléctrica a través del nanotransistor y cómo los electrones interactúan con las vibraciones del cristal. permitiendo así a los investigadores identificar con precisión los lugares donde se produce el calor. Sucesivamente, OMEN también proporciona pistas útiles sobre dónde hay margen de mejora.

Mejora de transistores mediante simulaciones optimizadas

Hasta ahora, Los métodos de programación convencionales y las supercomputadoras solo permitieron a los investigadores simular la disipación de calor en transistores que constan de alrededor de 1, 000 átomos, ya que la comunicación de datos entre los procesadores y los requisitos de memoria hicieron imposible producir una simulación realista de objetos más grandes.

La mayoría de los programas informáticos no pasan la mayor parte de su tiempo realizando operaciones informáticas, sino mover datos entre procesadores, memoria principal e interfaces externas. Según los científicos, OMEN también sufrió un pronunciado cuello de botella en la comunicación, lo que redujo el rendimiento. "El software ya se utiliza en la industria de los semiconductores, pero hay un margen considerable de mejora en términos de sus algoritmos numéricos y paralelización, "dice Luisier.

Hasta ahora, la paralelización de OMEN se diseñó de acuerdo con la física del problema electrotérmico, como explica Luisier. Ahora, Doctor. el estudiante Alexandros Ziogas y el postdoctorado Tal Ben-Nun, que trabaja con Hoefler, jefe del Laboratorio de Computación Paralela Escalable en ETH Zurich — no he mirado la física sino más bien las dependencias entre los datos. Reorganizaron las operaciones informáticas de acuerdo con estas dependencias, efectivamente sin considerar la física subyacente. Al optimizar el código, contaron con la ayuda de dos de las supercomputadoras más poderosas del mundo:"Piz Daint" en el Centro Nacional de Supercomputación de Suiza (CSCS) y "Summit" en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en los EE. UU. siendo este último el superordenador más rápido del mundo. Según los investigadores, el código resultante, denominado DaCe OMEN, produjo resultados de simulación que eran tan precisos como los del software OMEN original.

Por primera vez, Según se informa, DaCe OMEN ha hecho posible que los investigadores produzcan una simulación realista de transistores diez veces más grandes, compuesto por 10, 000 átomos, en la misma cantidad de procesadores, y hasta 14 veces más rápido que el método original para 1, 000 átomos. En general, DaCe OMEN es más eficiente que OMEN en dos órdenes de magnitud:en Summit, fue posible simular, entre otras cosas, un transistor realista hasta 140 veces más rápido con un rendimiento sostenido de 85,45 petaflops por segundo, y de hecho hacerlo con doble precisión en 4, 560 nodos informáticos. Este aumento extremo en la velocidad de la computación le ha valido a los investigadores el premio Gordon Bell.

Programación centrada en datos

Los científicos lograron esta optimización aplicando los principios de la programación paralela centrada en datos (DAPP), que fue desarrollado por el grupo de investigación de Hoefler. Aquí, el objetivo es minimizar el transporte de datos y, por tanto, la comunicación entre los procesadores. "Este tipo de programación nos permite determinar con mucha precisión no solo dónde se puede mejorar esta comunicación en varios niveles del programa, sino también cómo podemos ajustar secciones específicas de informática intensiva, conocidos como núcleos computacionales, dentro del cálculo para un solo estado, "dice Ben-Nun. Este enfoque multinivel hace posible optimizar una aplicación sin tener que reescribirla cada vez.

Los movimientos de datos también se optimizan sin modificar el cálculo original y para cualquier arquitectura de computadora deseada. "Cuando optimizamos el código para la arquitectura de destino, ahora solo lo estamos cambiando desde la perspectiva del ingeniero de rendimiento, y no la del programador, es decir, el investigador que traduce el problema científico en código, "dice Hoefler. Esto, él dice, conduce al establecimiento de una interfaz muy simple entre los científicos informáticos y los programadores interdisciplinarios.

La aplicación de DaCe OMEN ha demostrado que la mayor parte del calor se genera cerca del final del canal del nanotransistor y reveló cómo se propaga desde allí y afecta a todo el sistema. Los científicos están convencidos de que el nuevo proceso para simular componentes electrónicos de este tipo tiene una variedad de aplicaciones potenciales. Un ejemplo es la producción de baterías de litio, lo que puede llevar a algunas sorpresas desagradables cuando se sobrecalientan.