Исследователи корпорации IBM объявили о новых результатах компьютерного
моделирования, позволяющих существенно повысить характеристики процессорных
микросхем с точки зрения производительности и функциональности. Согласно
публикации в научном журнале Physical Review Letters, группа ученых из исследовательской
лаборатории IBM в Цюрихе впервые в мире выполнила моделирование на передовом
суперкомпьютере для углубления своих знаний о поведении нового материала
– двуокиси гафния – в кремниевых транзисторах, которые являются базовыми
компонентами современных компьютерных микросхем. Новый материал играет ключевую
роль в недавно представленной корпорацией IBM технологии high-k/metal-gate
(диэлектрик с высоким значением k/металлический затвор) – первое крупное
изменение в конструкции транзистора с момента появления кремниевых полупроводников,
которое обещает существенно улучшить характеристики чипов, применяемых компьютерах
и других электронных системах. В настоящее время IBM занимается внедрением
этой технологии и планирует применить ее в своей продукции в 2008 г. Напомним,
что в течение долгого времени производители полупроводниковых разработок
прилагали значительные усилия к отысканию новых материалов для важнейшего
компонента транзистора –изолирующего слоя в затворе полевого транзистора.
При использовании применяемых сегодня материалов этот компонент ограничивает
возможности отрасли для сохранения темпов развития, предсказанных т.н. "Законом
Мура" – постулатом, согласно которому число транзисторов в кристалле удваивается
каждые 12-18 месяцев, вследствие чего соответствующим образом растет производительность
процессоров. Двуокись гафния представляется, с точки зрения IBM, идеальным
кандидатом для затворов транзисторов нового поколения, однако внедрение
любого нового материала в полупроводниковые компоненты может иметь непредсказуемые
последствия, поэтому этот вопрос должен быть предварительно тщательно изучен.
Одним из важнейших факторов, обеспечивших успех IBM при решении весьма сложных
задач по интеграции новых материалов, явилось моделирование взаимодействия
двуокиси гафния с другими материалами на атомарном уровне. Ученые лаборатории
IBM в Цюрихе воспользовались своим богатым опытом в области компьютерного
моделирования и возможностями суперкомпьютера IBM Blue Gene для выяснения
причин, по которым диоксид гафния работает существенно лучше, чем остальные
материалы с высоким значением k, возможность применения которых ранее рассматривалась
отраслью. В результате моделирования исследователи впервые смогли получить
ясную картину основополагающих физических процессов, определяющих уникальные
электрические свойства двуокиси гафния при ее взаимодействии с кремнием.
Это бросает свет на причины, делающие этот материал идеальным кандидатом
на роль диэлектрика затвора. В ходе этого исследования специалисты IBM использовали
50 моделей силикатов гафния – материалов, образующихся при перемешивании
кремния и оксидов гафния. В каждую модель входило до 600 атомов и примерно
5000 электронов, что обеспечило высокую реалистичность моделирования. На
вычисление одного значения диэлектрической постоянной уходило всего пять
дней машинного времени на двухстоечном суперкомпьютере Blue Gene/L (4096
процессоров), установленном в лаборатории IBM в Цюрихе. Полный цикл моделирования
с применением всех 50 моделей на суперкомпьютере Blue Gene занял примерно
250 дней. Для сравнения – самому мощному ноутбуку понадобилось бы на решение
этой задачи 700 лет. Общий объем вычислений поражает воображение – 200 миллиардов
операций (2 x 10^20). Эти исследования хорошо иллюстрируют возможности суперкомпьютерного
моделирования для совершенствования технологий любого типа. Компьютерное
моделирование стало возможным уже в 1980-годах, однако только сегодня –
благодаря эволюции алгоритмов и их адаптации к широко масштабируемой и сбалансированной
архитектуре компьютеров Blue Gene – ученые получили возможность для решения
проблем рассматриваемого типа благодаря созданию реалистичных моделей с
несколькими тысячами частиц, основанных на фундаментальных законах природы.
"Развитие алгоритмов и их оптимизация в соответствии с архитектурными особенностями
таких сверхкрупных и сверхмасштабируемых вычислительных систем, как Blue
Gene, вдохновляют нас на проведение точного и реалистичного моделирования
сложных материалов на атомарном уровне,– говорит Алессандро Куриони (Alessandro
Curioni), специалист по суперкомпьютерам из исследовательской лаборатории
IBM в Цюрихе. – Поэтому сегодня мы действительно способны использовать суперкомпьютеры
для исследования материалов, которые в конечном итоге будут применяться
в новом поколении суперкомпьютеров". Примененный специалистами IBM подход
– "неэмпирическая молекулярная динамика" – описывает взаимодействие между
частицами системы на основе базовых физических законов без использования
каких-либо эмпирических данных. В ходе этой важнейшей работы специалисты
IBM создали более 50 реалистичных виртуальных моделей силикатов гафния,
отличающихся друг от друга концентраций гафния. После этого специалисты
смоделировали эволюцию этих структур в течение заданного интервала времени
и вычислили значения их диэлектрических постоянных. Затем эти данные были
использованы для рационалистического объяснения результатов, полученных
ранее экспериментальным путем. Важнейшее преимущество компьютерного моделирования
состоит в том, что, являясь по своей сути виртуальным, оно освобождает от
проблем, присущим лабораторным экспериментам, таким как влияние условий
подготовки, чистота компонентов и присутствие паразитных реакций. Что еще
более важно, компьютерное моделирование позволяет исследовать поведение
материалов на уровне отдельных атомов, вычислить внутренние, "идеальные"
характеристики материала и непосредственно сопоставить их с характеристиками
структур на атомарном уровне.