p Dois grupos de pesquisa da ETH Zurich desenvolveram um método que pode simular dispositivos nanoeletrônicos e suas propriedades de forma realista, com rapidez e eficiência. Isso oferece um raio de esperança para a indústria e também para os operadores de data center, ambos estão lutando com o (super) aquecimento que vem com transistores cada vez mais pequenos e potentes. p Os fabricantes de chips já estão montando transistores que medem apenas alguns nanômetros de diâmetro. Eles são muito menores do que um cabelo humano, cujo diâmetro é de aproximadamente 20, 000 nanômetros no caso de fios mais finos. Agora, a demanda por supercomputadores cada vez mais poderosos está levando a indústria a desenvolver componentes que são ainda menores e, ao mesmo tempo, mais potentes.

p Contudo, além das leis físicas que tornam mais difícil construir transistores ultraescaláveis, o problema da dissipação de calor cada vez maior está colocando os fabricantes em uma situação complicada - em parte devido aos aumentos acentuados nos requisitos de resfriamento e a resultante demanda de energia. O resfriamento dos computadores já é responsável por até 40 por cento do consumo de energia em alguns data centers, como relatam os grupos de pesquisa liderados pelos professores da ETH Torsten Hoefler e Mathieu Luisier em seu último estudo, que eles esperam que permita o desenvolvimento de uma abordagem melhor. Com seu estudo, os pesquisadores receberam o Prêmio ACM Gordon Bell, o prêmio de maior prestígio na área de supercomputadores, que é concedido anualmente na conferência de supercomputação SC nos Estados Unidos.

p Para tornar os nanotransistores de hoje mais eficientes, o grupo de pesquisa liderado por Luisier do Laboratório de Sistemas Integrados (IIS) da ETH Zurich simula transistores usando um software chamado OMEN, que é o chamado simulador de transporte quântico.

p OMEN executa seus cálculos com base no que é conhecido como teoria do funcional da densidade, permitindo uma simulação realista de transistores em resolução atômica e no nível da mecânica quântica. Esta simulação visualiza como a corrente elétrica flui através do nanotransistor e como os elétrons interagem com as vibrações do cristal, permitindo assim aos pesquisadores identificar com precisão os locais onde o calor é produzido. Por sua vez, O OMEN também fornece dicas úteis sobre onde há espaço para melhorias.

p Melhorando os transistores usando simulações otimizadas

p Até agora, métodos de programação convencionais e supercomputadores permitiam apenas aos pesquisadores simular a dissipação de calor em transistores consistindo em cerca de 1, 000 átomos, já que a comunicação de dados entre os processadores e os requisitos de memória tornou impossível produzir uma simulação realista de objetos maiores.

p A maioria dos programas de computador não passa a maior parte do tempo realizando operações de computação, mas sim mover dados entre processadores, memória principal e interfaces externas. De acordo com os cientistas, OMEN também sofreu de um gargalo pronunciado na comunicação, que reduziu o desempenho. “O software já é usado na indústria de semicondutores, mas há um espaço considerável para melhorias em termos de algoritmos numéricos e paralelização, "diz Luisier.

p Até agora, a paralelização do OMEN foi projetada de acordo com a física do problema eletrotérmico, como Luisier explica. Agora, Ph.D. o estudante Alexandros Ziogas e o pós-doutorado Tal Ben-Nun - trabalhando com Hoefler, chefe do Laboratório de Computação Paralela Escalável na ETH Zurique - não olhei para a física, mas sim para as dependências entre os dados. Eles reorganizaram as operações de computação de acordo com essas dependências, efetivamente sem considerar a física subjacente. Ao otimizar o código, eles tiveram a ajuda de dois dos supercomputadores mais poderosos do mundo - "Piz Daint" no Swiss National Supercomputing Center (CSCS) e "Summit" no Oak Ridge National Laboratory nos EUA, sendo o último o supercomputador mais rápido do mundo. De acordo com os pesquisadores, o código resultante - apelidado de DaCe OMEN - produziu resultados de simulação tão precisos quanto os do software OMEN original.

p Pela primeira vez, O DaCe OMEN tornou possível aos pesquisadores produzir uma simulação realista de transistores dez vezes maiores, composto por 10, 000 átomos, no mesmo número de processadores - e até 14 vezes mais rápido do que o método original levou para 1, 000 átomos. Geral, DaCe OMEN é mais eficiente do que OMEN por duas ordens de magnitude:na Summit, foi possível simular, entre outras coisas, um transistor realista até 140 vezes mais rápido com um desempenho sustentado de 85,45 petaflops por segundo - e de fato fazê-lo com precisão dupla em 4, 560 nós de computador. Esse aumento extremo na velocidade da computação rendeu aos pesquisadores o Prêmio Gordon Bell.

p Programação centrada em dados

p Os cientistas conseguiram essa otimização aplicando os princípios da programação paralela centrada em dados (DAPP), que foi desenvolvido pelo grupo de pesquisa de Hoefler. Aqui, o objetivo é minimizar o transporte de dados e, portanto, a comunicação entre os processadores. "Este tipo de programação nos permite determinar com muita precisão não apenas onde essa comunicação pode ser melhorada em vários níveis do programa, mas também como podemos ajustar seções específicas de computação intensiva, conhecidos como kernels computacionais, dentro do cálculo para um único estado, "diz Ben-Nun. Essa abordagem multinível torna possível otimizar um aplicativo sem ter que reescrevê-lo todas as vezes.

p Os movimentos de dados também são otimizados sem modificar o cálculo original - e para qualquer arquitetura de computador desejada. "Quando otimizamos o código para a arquitetura de destino, agora estamos apenas mudando da perspectiva do engenheiro de desempenho, e não do programador - isto é, o pesquisador que traduz o problema científico em código, "diz Hoefler. Este, ele diz, leva ao estabelecimento de uma interface muito simples entre cientistas da computação e programadores interdisciplinares.

p A aplicação do DaCe OMEN mostrou que a maior parte do calor é gerado próximo ao final do canal do nanotransistor e revelou como ele se espalha a partir daí e afeta todo o sistema. Os cientistas estão convencidos de que o novo processo de simulação de componentes eletrônicos desse tipo tem uma variedade de aplicações potenciais. Um exemplo é a produção de baterias de lítio, o que pode levar a algumas surpresas desagradáveis ​​quando sobreaquecem.