Компания IBM совершает прорыв в производстве микросхем
Цюрих, Швейцария, 26 февраля - Исследователи IBM объявили о своих достижениях в области компьютерного моделирования, которые помогут поднять производительность и функциональность микросхем на новый уровень. Как было опубликовано в научном журнале Physical Review Letters, группа ученых из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе впервые использовала новейшие, построенные на суперкомпьютере модели для более точного понимания и использования нового перспективного материала, диоксида гафния, в основной структурной единице микросхемы - кремниевых транзисторах.
Новый материал является ключевым компонентом в high-k/metal-технологии, недавно анонсированной компанией. Эта технология впервые после изобретения кремниевых полупроводников внесет значительное изменение в саму технологию работы с транзисторами. Ее использование увеличит производительность микросхем, и следовательно, позволит создавать более совершенные компьютеры и другие электронные системы. Компания IBM уже внедряет данную технологию и начнет выпуск основанной на ней продукции в 2008 году.
В индустрии полупроводников уже давно производился поиск нового материала для ключевого элемента транзистора - диэлектрика затвора. Произведенный из используемых сейчас материалов, он ограничивает возможности транзистора и не позволяет индустрии угнаться за законом Мура, согласно которому каждые 12-18 месяцев количество транзисторов на микросхеме и, соответственно, производительность микросхем должна удваиваться.
Хотя диоксид гафния, похоже, является идеально подходящим материалом для создания затвора транзистора нового поколения, его использование может привести к непредвиденным последствиям, поэтому необходимо заранее тщательно изучить все свойства этого материала. В большой степени успеху IBM в решении чрезвычайно сложной задачи по внедрению этой новой технологии способствовало компьютерное исследование взаимодействий частиц материала на атомном уровне.
Ученые исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе объединили свой многолетний опыт работы в области компьютерного моделирования и возможности суперкомпьютера IBM Blue Gene, для того чтобы выяснить, почему диоксид гафния обладает гораздо лучшими свойствами, чем все ранее изученные материалы high-k (с высоким значением диэлектрической постоянной). В результате ученые впервые смогли получить ясную картину происходящих внутри вещества физических процессов, которые объясняют уникальное поведение диоксида гафния при смешивании его с кремнием. Это исследование и позволило понять, почему этот материал идеально походит для диэлектрика затвора.
В процессе исследования команда исследователей IBM исследовала различные сплавы, используя 50 различных моделей силиката гафния, вещества, образующегося при синтезе кремния и оксида гафния. Модели состоят из 600 атомов и около 5000 электронов, что необходимо для создания реалистичной системы. Для вычисления одной диэлектрической константы понадобилось пять дней работы двух стоек суперкомпьютера Blue Gene/L (4096 процессоров), установленного в лаборатории в Цюрихе. Полное изучение всех 50 моделей, которое было выполнено примерно за 250 дней на Blue Gene, на самом мощном персональном компьютере выполнялось бы около 700 лет! Это соответствует 200 миллиардам миллиардов операций.
Это показывает, что моделирование с помощью суперкомпьютеров позволяет поднять технологии на новый уровень. Возможность моделирования на компьютере была еще в 80-х годах, но только теперь благодаря развитию алгоритмов и их реализаций на столь мощных системах, как Blue Gene, - ученые могут заняться решением этих проблем путем создания реалистичных моделей с несколькими тысячами элементов, опираясь только на базовые законы природы.
"Развитие алгоритмов и улучшение их реализаций на огромных и масштабируемых компьютерных системах, таких как Blue Gene, позволяет составлять точные и реалистичные атомные модели сложных веществ", объясняет Аллесандро Куриони (Alessandro Curioni), эксперт в области суперкомпьютеров из цюрихской лаборатории. При этом он подчеркивает: "Поэтому теперь мы имеем возможность изучать новые вещества, которые возможно позже будут сами использоваться в новых поколениях суперкомпьютеров".
Команда IBM использует неэмпирическую молекулярную динамику. В этом подходе взаимодействия между частицами вычисляются только на основе классических законов физики, без использования эмпирических данных. В ходе проведения своей работы команда из IBM создала на суперкомпьютере более 50 реалистичных виртуальных моделей силиката гафния, отличающихся количеством содержащегося в нем гафния. Они изучали изменение этих структур в течение заданного периода времени, вычисляли значения полученных диэлектрических констант и использовали эти результаты для обоснования полученных сведений.
Преимущество компьютерного моделирования в том, что это виртуальный процесс, и поэтому в нем отсутствуют проблемы "чистого" эксперимента, такие как проблема влияния начальных условий, наличие примесей в реагентах или незапланированных реакций. И что является более важным, с помощью моделирования можно проследить процессы, происходящие с каждым отдельным атомом.
Дополнительную информацию можно найти в статье C.A.Pignedoli, A.Curioni, и W.Andreoni "Аномальное поведение диэлектрической константы силиката гафния: изучение первопричин", опубликованной в журнале Physical Review Letters, том 98, номер 3, статья 037602 (за 18 января 2007 года).
Читайте другие статьи серии Суперкомпьютерные технологии рядом с нами.
© Лаборатория Параллельных информационных технологий НИВЦ МГУ
