_ Oamenii de știință din plasmă dezvoltă programe de calculator care ar putea reduce costurile de microcipuri, stimulează producția

Fabricate din același element găsit în nisip și acoperite de modele complicate, microcipurile alimentează smartphone-urile, măresc aparatele și ajută la funcționarea mașinilor și avioanelor.

Acum, Oamenii de știință de la Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) al Departamentului de Energie al SUA (DOE) dezvoltă coduri de simulare pe computer care vor depăși tehnicile actuale de simulare și vor ajuta la producerea de microcipuri folosind plasmă, starea încărcată electric a materiei, folosită și în cercetarea fuziunii.

Aceste coduri ar putea ajuta la creșterea eficienței procesului de fabricație și ar putea stimula renașterea industriei de cipuri din Statele Unite.

„Deoarece dispozitivele cu microcipuri sunt esențiale pentru viața noastră de zi cu zi, cum și unde sunt făcute este o chestiune de securitate națională”, a declarat Igor Kaganovici, cercetător principal în fizică, care conduce grupul de modelare la temperatură joasă de la PPPL.

„Instrumente de simulare robuste și fiabile care pot prezice cu precizie Comportamentul plasmei și scurtarea ciclului de fabricație și proiectare al cipurilor de siliciu ar putea ajuta SUA să recâștige un rol de lider în acest domeniu și să-l mențină timp de zeci de ani.”

Un efort de cercetare PPPL implică reducerea timpului de care computerele au nevoie pentru a simula microcipul. reactoare cu plasmă. Această inovație ar ajuta industria privată să folosească simulări mai complexe și mai precise pe scară largă și să le ajute să scadă costurile microcipurilor.

„Companiile ar dori să folosească simulări pentru a-și îmbunătăți procesele, dar acestea sunt de obicei costisitoare din punct de vedere computațional”, a spus Andrew Tasman Powis, co-autor al lucrării care raportează rezultatele în Fizica Plasmei și asociat de cercetare computațională la PPPL. „Facem tot posibilul pentru a contracara această tendință.”

Fizicienii doresc de obicei simulări pentru a reproduce plasma cât mai precis posibil, generând imagini virtuale care dezvăluie complexitatea comportamentului plasmei cu detalii foarte fine. Acest proces necesită algoritmi, programe care urmează un set de reguli, care simulează plasmă în trepte de timp foarte scurte și în volume mici de spațiu.

Procesul este că astfel de simulări detaliate necesită calculatoare puternice care rulează zile sau săptămâni la o vreme. Acest interval de timp este prea lung și prea costisitor pentru companiile care doresc să folosească simulările pentru a-și îmbunătăți procesele de fabricare a microcipurilor.

Cercetătorii au cercetat istoria fizicii plasmei pentru a găsi algoritmi deja dezvoltați care ar putea fi capabili să scurteze timpul necesar pentru simularea plasmei cu microcip. Cercetătorii au găsit algoritmi potriviți din anii 1980; atunci când au fost testați, algoritmii au demonstrat capacitatea de a modela sisteme de plasmă cu microcip într-un timp mult mai mic și cu doar o mică reducere a preciziei.

În esență, cercetătorii au descoperit că ar putea obține simulări bune chiar dacă modelau. particulele de plasmă în spații mai mari și folosind incremente de timp mai lungi.

„Această dezvoltare este importantă deoarece ar putea economisi companii atât timp, cât și bani”, a spus Haomin Sun, cercetătorul principal al studiului și fost student absolvent la Universitatea Princeton. Program în Fizica Plasmei, bazat la PPPL.

„Asta înseamnă că, cu aceeași cantitate de resurse de calcul, puteți crea mai multe simulări. Mai multe simulări nu numai că vă permit să găsiți modalități de îmbunătățire a producției, ci și de a învățați mai multă fizică în general. Putem face mai multe descoperiri folosind resursele noastre limitate.”

Cercetări înrudite conduse de Powis întăresc această posibilitate. Într-o lucrare publicată în Physics of Plasmas, Powis confirmă că codurile computerizate pot genera modele precise de particule de plasmă folosind „celule” virtuale sau volume mici de spațiu care depășesc o măsură standard în fizica plasmei cunoscută sub numele de lungimea Debye.

Această dezvoltare înseamnă că codurile pot folosi, de fapt, mai puține celule și pot reduce nevoia de timp de calcul. „Aceasta este o veste bună, deoarece reducerea numărului de celule ar putea reduce costul de calcul al simulării și, prin urmare, ar putea îmbunătăți performanța”, a spus Powis.

Algoritmii pot simula așa-numitele „reactoare cu plasmă cuplate capacitiv”, care creați plasma pe care inginerii o folosesc pentru a grava canale înguste într-o placă de siliciu. Aceste căi de trecere minuscule formează microcircuitul care permite microcipului să funcționeze.

„Suntem interesați să modelăm acest proces, astfel încât să putem învăța cum să controlăm proprietățile plasmei, să prezicem cum ar fi acestea într-un nou proces. mașină și apoi preziceți proprietățile de gravare, astfel încât să putem îmbunătăți procesul”, a spus Powis.

Echipa intenționează să testeze algoritmii în continuare adăugând efectele diferitelor tipuri de materiale de perete și electrozi. „Vrem să continuăm să creăm încredere în acești algoritmi, astfel încât să putem fi siguri că rezultatele sunt corecte”, a spus Powis.

Un alt efort de cercetare se concentrează asupra erorilor care se pot strecura în simulările cu plasmă din cauza limitărilor inerente ale metodele de simulare în sine, care modelează un număr mai mic de particule de plasmă decât este prezent în plasma reală.

„Când simulați plasmă, în mod ideal ați dori să urmăriți fiecare particulă și să știți unde se află în orice moment, „, a spus Sierra Jubin, student absolvent al programului Princeton în Fizica Plasmei și autorul principal al unei lucrări care raportează rezultatele în Fizica Plasmei. „Dar nu avem putere de calcul infinită, așa că nu putem face asta.”

Pentru a ocoli această dificultate, cercetătorii proiectează un cod care să reprezinte milioane de particule ca o particulă gigantică. Acest lucru simplifică sarcina computerului, dar amplifică și interacțiunile mega-particulelor virtuale. Ca urmare, o schimbare a proporției de particule care se mișcă cu o viteză față de câte se mișcă cu alta - un proces cunoscut sub numele de termalizare - are loc mai repede decât se întâmplă în natură. În esență, simularea nu se potrivește cu realitatea.

„Aceasta este o problemă, deoarece dacă nu abordăm această problemă, nu vom modela fenomenele așa cum apar de fapt în lume”, a spus Jubin. . „Și dacă vrem să știm câți electroni se mișcă cu o anumită viteză, generând ioni sau specii chimice reactive care interacționează cu materialele folosite pentru a face microcipuri, nu vom obține o imagine exactă.”

Descoperirile lui Jubin întăresc ideea că actualul tehnicile de simulare trebuie îmbunătățite. Fie pentru că codurile utilizate astăzi necesită volume mici și incremente de timp care împreună încetinesc simulările sau pentru că produc erori bazate pe cerințele de calcul, oamenii de știință au nevoie de noi soluții. „Aceasta este de fapt o schimbare de paradigmă în domeniu”, a spus Kaganovich, „și PPPL este liderul.”

Echipa a inclus cercetători de la Universitatea Princeton, Centrul Elvețian de Plasmă de la Ecole Polytechnique Federale de Lausanne. , Institutul de Tehnologie și Știință Birla din India, Institutul Național Homi Bhabha din India, Universitatea Alberta din Edmonton, Applied Materials, Inc. și Institutul chino-francez de Inginerie și Tehnologie Nucleară din China.

(Fluierul)