新的计算机模拟帮助科学家推进节能微电子技术

Josiah02

得益于微芯片的进步，如今的智能手机功能强大，在 20 世纪 90 年代初期甚至堪称超级计算机。但随着人工智能和物联网（物联网是连接智能电网、智能家居等各种设备的庞大网络）的日益普及，新一代微芯片不仅要超越以往的微型化和性能记录，还要比现有技术更节能。
作为这项工作的一部分，伯克利实验室的科学家们正在努力革新晶体管，晶体管是计算机微芯片的基本元件之一，旨在实现卓越的性能和能源效率。最近的研究表明，新型晶体管材料具有利用负电容这一不寻常特性来实现更高效的内存和逻辑器件的潜力。当材料具有负电容时，它可以在较低电压下存储更多电荷，这与传统电容材料的情况正好相反。
现在，一个多学科研究团队已经从原子层面了解了负电容的起源，使他们能够针对特定设备应用增强和定制这种现象。这一进展得益于 FerroX，这是一个开源的3D 模拟框架，该团队专门为研究负电容而设计。他们的工作发表在《先进电子材料》杂志上。
这项工作是多年项目“超低压超 CMOS 微电子联合设计”的一个重要里程碑，该项目旨在设计出比传统硅芯片性能更好、能耗更低的新型微芯片。
虽然材料开发与应用紧密相关并不罕见，但伯克利实验室在微电子研究方面采用的共同设计方法，即从原子层面理解材料特性，并由特定的设备要求来驱动和指导，加强了设备开发各个方面的研究目标之间的联系，并依靠实验室闻名的跨学科团队科学，希望加速从研发到商业化的进程。
“制造新材料需要大量的反复试验。这就像制作新配方。研究人员通常必须在实验室里日夜工作才能改变配方。但使用我们的建模工具 FerroX，您可以使用自己的计算机来定位可能影响负电容效应性能的特定参数，”伯克利实验室应用数学与计算研究部的研究科学家兼研究资深作者 Zhi (Jackie) Yao 说道。
姚期智和第一作者、应用数学与计算研究部博士后学者 Prabhat Kumar 共同领导了微电子联合设计项目的 FerroX 开发。
揭示负电容的原子起源
2008 年，论文共同作者、加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学教授、伯克利实验室材料科学部高级教员 Sayeef Salahuddin 首次提出了负电容的概念，以展示设计节能计算机的新方法。
负电容通常出现在具有铁电性质的材料中。铁电材料有望成为节能的计算机存储器，因为它们的内置电极化可用于存储数据，例如，可以使用低功率电场写入和擦除数据。
在萨拉赫丁提出开创性建议后的几年里，研究人员了解到，当铁电氧化铪和氧化锆（HfO2 - ZrO2 ）薄膜由多种相组成时，会出现负电容效应。
这意味着薄膜的小区域或“晶粒”具有略微不同的原子或“相”排列。这些相晶粒的尺寸很小——只有几纳米宽——但不同相具有不同的电子特性，可以相互作用并产生负电容等宏观现象。
Salahuddin 团队已经利用这种现象生产出破纪录的微电容器，但为了充分发挥负电容的潜力，研究人员需要更深入地了解其原子起源。
为此，由姚和库马尔共同领导的多学科团队开发了 FerroX。开源框架使他们能够开发铁电薄膜的 3D 相场模拟，在其中他们可以随意改变相组成并研究对薄膜电子特性的影响。
“我们的目标是了解这些薄膜中负电容的起源，这一点目前还不太清楚，”库马尔说。“我们的模拟首次帮助研究人员定制材料的特性，以进一步改善实验室中观察到的负电容。”
结果，伯克利实验室的研究人员发现，通过优化畴结构（减小铁电晶粒的尺寸并将它们排列成具有特定的铁电极化方向），可以增强负电容效应。
姚说：“这种增强负电容的方法是在我们的研究之前不为人知的，因为以前的模型缺乏可扩展性，无法轻松探索设计空间，也缺乏物理定制。”
姚将这种新的建模能力归功于与萨拉赫丁等材料科学家的直接合作，他们帮助 FerroX 开发团队了解如何围绕铁电物理学塑造他们的模型，也归功于伯克利实验室独特的多学科优势，在这里，各个科学学科的研究人员都与能源部国家能源研究科学计算中心 (NERSC) 的 Perlmutter 超级计算机紧密相连。
Perlmutter 支持复杂的模拟、数据分析和人工智能实验，这些实验需要同时使用多个图形处理单元 (GPU)。Yao、Kumar 和团队在很大程度上依赖 Perlmutter 来开发 FerroX，现在它已作为开源框架提供给其他研究人员，可以从笔记本电脑移植到超级计算机。
姚表示：“FerroX 能够帮助学术界、工业界和国家实验室如此庞大的研究人员群体，这令人兴奋不已。”
虽然当前研究中的 FerroX 模型模拟了负电容在晶体管栅极处演变的起源，但伯克利实验室团队计划在未来的研究中使用开源框架来模拟整个晶体管。
Salahuddin 表示：“多年来，我们在负电容物理学以及将该物理学融入实际微电子设备方面都取得了重大进展。借助 FerroX，我们现在可以从原子开始对这些设备进行建模，这将使我们能够设计具有最佳负电容性能的微电子设备。如果没有这个由计算机科学和材料科学领域的研究人员组成的联合设计团队的强大力量，这是不可能的。”