Visualizações de futuros nano-transistores, sentido horário começando no canto superior esquerdo:a) A imagem mostra a organização dos átomos em um transistor de corpo ultrafino (UTB) e a quantidade de potencial elétrico ao longo do transistor. b) Esta é uma visualização da organização dos átomos em um material puro. Cada átomo (em vermelho) é cercado por uma casca cinza, representando o campo de interação de cada átomo. c) Os pontos quânticos são partículas em nanoescala, com diâmetros aproximadamente 1000 vezes menores que o diâmetro do cabelo humano. Esta imagem mostra a magnitude das forças de deformação na superfície do núcleo de um ponto quântico. d) O núcleo de um ponto quântico pode ter diferentes formas e composição. Ambos os fatores afetam os níveis de energia dentro de um ponto quântico. Esta figura em azul claro representa a intensidade de um nível de energia dentro de um ponto quântico com um núcleo cônico (em vermelho). Crédito:Instituto de Modelagem Nanoeletrônica (iNEMO) liderado por Gerhard Klimeck
Um esforço global incansável para reduzir os transistores tornou os computadores cada vez mais rápidos, mais barato e menor nos últimos 40 anos. Esse esforço permitiu que os fabricantes de chips dobrassem o número de transistores em um chip aproximadamente a cada 18 meses - uma tendência conhecida como Lei de Moore. No processo, a indústria de semicondutores dos EUA tornou-se uma das maiores indústrias de exportação do país, avaliado em mais de US $ 65 bilhões por ano.
A base do sucesso desta indústria tem sido o desenvolvimento de chips cada vez mais capazes. Contudo, de acordo com o International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), que identifica os desafios tecnológicos e as necessidades da indústria de semicondutores nos próximos 15 anos, os sinais apontam para uma ruptura nessas tendências de longa duração.
O tamanho do transistor continuará a diminuir por uma década, atingindo aproximadamente 5 nanômetros de comprimento e 1 nanômetro (ou cerca de 5 átomos) de largura em sua região ativa crítica. Além desse ponto, o que acontece é mais difícil de prever.
Nesta nanoescala, novos fenômenos têm precedência sobre aqueles que dominam o macromundo. Efeitos quânticos, como tunelamento e desordem atomística, dominam as características desses dispositivos em nanoescala. Questões fundamentais sobre como vários materiais e configurações se comportam nesta escala precisam ser respondidas.
"Outras melhorias nessas dimensões virão apenas por meio de um design de dispositivo detalhado e otimizado e de uma melhor integração, "disse Gerhard Klimeck, professor de engenharia elétrica e da computação na Purdue University e diretor da Network for Computational Nanotechnology lá.
É na escala dos átomos guiados por interações nanoescala e quântica que Klimeck trabalha. Ele lidera uma equipe que desenvolveu uma das principais ferramentas de software usadas por acadêmicos, empresas de semicondutores e estudantes para prever o comportamento futuro dos transistores em nanoescala.
Chamado NEMO5 (a quinta edição do NanoElectronics MOdeling Tools), o software simula a multiescala, fenômenos multifísicos que ocorrem quando uma carga elétrica passa por um transistor de poucos átomos. Ao fazer isso, NEMO ajuda os pesquisadores a projetar futuras gerações de dispositivos nanoeletrônicos, incluindo transistores e pontos quânticos, mesmo antes de serem produzidos fisicamente, e prevê o desempenho do dispositivo e fenômenos que os pesquisadores de outra forma não poderiam explorar.
"Não existem ferramentas de design auxiliado por computador que possam modelar esses dispositivos em um sentido atomístico, "Klimeck disse." Todas as ferramentas de design de dispositivos semicondutores padrão que existem assumem que a matéria é suave e contínua e ignoram a existência de átomos. "
Esta imagem representa uma representação interna de um transistor de corpo ultrafino (UTB). A posição dos átomos e suas ligações químicas são apresentadas junto com a quantidade de potencial elétrico no transistor. O potencial elétrico pode ser visto como superfícies coloridas sobrepostas à estrutura. Crédito:Instituto de Modelagem Nanoeletrônica (iNEMO) liderado por Gerhard Klimeck
Mas os átomos existem, e seu comportamento precisa ser levado em consideração ao projetar dispositivos com apenas alguns átomos de diâmetro.
“O que estamos construindo é uma ferramenta de engenharia que será usada na compreensão e projeto de dispositivos que estão no fim da Lei de Moore, "Klimeck observou.
Com o prêmio Petascale Computing Resource Allocation da National Science Foundation, O grupo de Klimeck está usando o supercomputador Blue Waters no National Center for Supercomputing Applications para estudar os limites das tecnologias de semicondutores atuais e as possibilidades das futuras. Blue Waters é uma das máquinas mais poderosas do mundo para simulação, modelagem e análise de dados.
Mehdi Salmani e SungGeun Kim, anteriormente Ph.D. alunos do grupo de Klimeck, usou a Blue Waters para modelar vários dispositivos e configurações para o International Technology Roadmap for Semiconductors. Eles exploraram se os dispositivos cada vez menores que devem estar disponíveis nos próximos 15 anos são fisicamente viáveis. Eles também determinaram que efeitos quânticos de impacto, como espalhamento e confinamento, podem ter no desempenho à medida que os dispositivos encolhem para limites críticos.
Simulações da equipe de Klimeck encontraram desvios importantes nas características dos dispositivos à medida que são reduzidos, levantando questões sobre projetos de dispositivos futuros. Seus resultados foram incluídos no roteiro do ITRS em 2014 e estão ajudando a orientar a direção de muitas das maiores empresas de semicondutores em seu planejamento e pesquisa e desenvolvimento futuros.
A equipe de Klimeck também usou Blue Waters para explorar materiais alternativos que podem substituir o silício em dispositivos futuros. Estes incluem arseneto de índio e antimoneto de índio, bem como materiais exóticos, como grafeno, nanotubos de carbono e isoladores topológicos para computadores de spin quântico.
Um mapa de uso das ferramentas de modelagem de nanossimulação NEMO e OMEN. Crédito:Instituto de Modelagem Nanoeletrônica (iNEMO) liderado por Gerhard Klimeck
Os resultados de suas simulações foram publicados em Nature Nanotechnology em abril de 2014 e em Cartas de Física Aplicada em agosto de 2014.
NEMO5, e seus predecessores OMEN e NEMO3D, alimentar nove aplicativos no nanoHUB, um site que hospeda uma coleção crescente de programas de simulação para modelar fenômenos em nanoescala. Desde que foram lançados há quase 15 anos, mais de 19, 000 pesquisadores executaram mais de 367, 000 simulações usando a família de ferramentas NEMO. NEMO e OMEN foram usados em 381 classes em instituições ao redor do mundo e foram citados em 84 artigos na literatura científica.
"A disponibilidade pública de tais ferramentas apóia a inovação rápida e acelera a adoção de tecnologias disruptivas nos dispositivos de alta tecnologia do futuro, "disse Keith Roper, que supervisiona o programa Network for Computational Nanotechnology na diretoria de Engenharia da NSF.
Combinar ferramentas de modelagem de alto desempenho como o NEMO5 com um sistema de modelagem de alto desempenho como o Blue Waters está permitindo que Klimeck e centenas de outros pesquisadores façam perguntas e encontrem soluções muito além daquelas que eles poderiam abordar no passado.
"O problema típico que precisamos resolver tem talvez 100, 000 a um milhão de átomos, "Klimeck disse." Dez anos atrás, as pessoas teriam me dito que isso não tem solução. Você não consegue um computador grande o suficiente. Agora que o sistema petascale Blue Waters está disponível, podemos resolver esses tipos de problemas e ajudar a projetar semicondutores que permitirão o crescimento tecnológico contínuo. "
