納米電子學(xué)的“模擬助推器”，進(jìn)一步改善晶體管

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蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的兩個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一種方法，可以逼真，快速，高效地模擬納米電子器件及其性能。這給行業(yè)和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商都帶來(lái)了一線希望，這兩家公司都在為越來(lái)越小且功能強(qiáng)大的晶體管帶來(lái)的（過(guò)熱）苦苦掙扎。

芯片制造商已經(jīng)在組裝尺寸僅為幾納米的晶體管。它們比人的頭發(fā)要小得多，在細(xì)的情況下，人的頭發(fā)的直徑約為20,000納米?，F(xiàn)在，對(duì)功能越來(lái)越強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)的需求正在推動(dòng)行業(yè)開(kāi)發(fā)更小，同時(shí)功能更強(qiáng)大的組件。

但是，除了物理規(guī)律使制造超大規(guī)模晶體管變得更加困難之外，不斷增加的散熱問(wèn)題還是制造商處于棘手的狀況-部分原因是冷卻需求的急劇上升以及由此產(chǎn)生的能源需求。由ETH教授Torsten Hoefler和Mathieu Luisier領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在最近的研究中報(bào)告說(shuō)，為某些數(shù)據(jù)中心冷卻計(jì)算機(jī)已經(jīng)占到了40％的功耗。他們希望這將允許開(kāi)發(fā)一種更好的方法。通過(guò)他們的研究，研究人員獲得了ACM Gordon Bell獎(jiǎng)，這是超級(jí)計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最負(fù)盛名的獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)每年在美國(guó)SC超級(jí)計(jì)算會(huì)議上頒發(fā)。

為了提高當(dāng)今的納米晶體管的效率，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院集成系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（IIS）的Luisier領(lǐng)導(dǎo)的研究小組使用名為OMEN的軟件對(duì)晶體管進(jìn)行了仿真，該軟件被稱為量子傳輸模擬器。

OMEN根據(jù)所謂的密度泛函理論進(jìn)行計(jì)算，從而可以在原子分辨率和量子力學(xué)水平上對(duì)晶體管進(jìn)行逼真的仿真。該仿真可視化了電流如何流過(guò)納米晶體管以及電子如何與晶體振動(dòng)相互作用，從而使研究人員能夠精確地識(shí)別產(chǎn)生熱量的位置。反過(guò)來(lái)，OMEN還提供了關(guān)于仍有改進(jìn)空間的有用線索。

直到現(xiàn)在，傳統(tǒng)的編程方法和超級(jí)計(jì)算機(jī)只允許研究人員模擬由大約1000個(gè)原子組成的晶體管的散熱，因?yàn)?a target="_blank">處理器之間的數(shù)據(jù)通信和內(nèi)存需求使得無(wú)法對(duì)大型物體進(jìn)行逼真的模擬。

大多數(shù)計(jì)算機(jī)程序不會(huì)將大部分時(shí)間花費(fèi)在執(zhí)行計(jì)算操作上，而是在處理器，主存儲(chǔ)器和外部接口之間移動(dòng)數(shù)據(jù)。根據(jù)科學(xué)家的說(shuō)法，OMEN也遭受了明顯的溝通瓶頸，從而降低了性能。Luisier說(shuō)：“該軟件已經(jīng)在半導(dǎo)體行業(yè)中使用，但是在數(shù)值算法和并行化方面還有很大的改進(jìn)空間?！?/p>

到目前為止，如Luisier所解釋的那樣，OMEN的并行化是根據(jù)電熱問(wèn)題的物理原理設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)在，博士 學(xué)生Alexandros Ziogas和博士后Tal Ben-Nun（在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院可擴(kuò)展并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Hoefler的領(lǐng)導(dǎo)下工作）沒(méi)有研究物理，而是研究數(shù)據(jù)之間的依賴性。他們根據(jù)這些依賴關(guān)系有效地重新組織了計(jì)算操作，而無(wú)需考慮底層物理原理。在優(yōu)化代碼方面，他們得到了世界上最強(qiáng)大的兩臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)的幫助：瑞士國(guó)家超級(jí)計(jì)算中心（CSCS）的“ Piz Daint”和美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的“ Summit”。世界上最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)。根據(jù)研究人員，

據(jù)報(bào)道，DaCe OMEN首次使研究人員能夠在相同數(shù)量的處理器上進(jìn)行十倍大小，由10,000個(gè)原子組成的晶體管的逼真的仿真，并且比原始方法快14倍。 1000個(gè)原子 總體而言，DaCe OMEN比OMEN的效率高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)：在Summit上，可以仿真速度高達(dá)140倍的逼真的晶體管，并具有每秒85.45 petaflops的持續(xù)性能，這確實(shí)可以做到。因此在4,560個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)上具有雙精度。計(jì)算速度的極大提高為研究人員贏得了戈登·貝爾獎(jiǎng)。

科學(xué)家通過(guò)應(yīng)用由Hoefler研究小組開(kāi)發(fā)的以數(shù)據(jù)為中心的并行編程（DAPP）原理實(shí)現(xiàn)了這一優(yōu)化。在此，目的是最小化數(shù)據(jù)傳輸以及因此處理器之間的通信?！斑@種類(lèi)型的程序設(shè)計(jì)使我們不僅可以非常準(zhǔn)確地確定在程序的各個(gè)級(jí)別上可以改進(jìn)這種通信的地方，還可以確定如何在單個(gè)狀態(tài)的計(jì)算范圍內(nèi)調(diào)整特定的計(jì)算密集型部分，即計(jì)算內(nèi)核。 ，”本農(nóng)說(shuō)。這種多級(jí)方法可以優(yōu)化應(yīng)用程序，而不必每次都重寫(xiě)它。

還可以在不修改原始計(jì)算的情況下以及針對(duì)任何所需的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化數(shù)據(jù)移動(dòng)。Hoefler說(shuō)：“當(dāng)我們針對(duì)目標(biāo)架構(gòu)優(yōu)化代碼時(shí)，我們只是從性能工程師的角度而不是從程序員的角度（即將科學(xué)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為代碼的研究人員）的角度進(jìn)行更改?！?他說(shuō)，這導(dǎo)致在計(jì)算機(jī)科學(xué)家和跨學(xué)科程序員之間建立非常簡(jiǎn)單的界面。

DaCe OMEN的應(yīng)用表明，在納米晶體管通道的末端附近產(chǎn)生的熱量最多，并揭示了熱量如何從那里擴(kuò)散并影響整個(gè)系統(tǒng)。科學(xué)家們相信，這種用于模擬此類(lèi)電子元件的新工藝具有多種潛在應(yīng)用。鋰電池的生產(chǎn)就是一個(gè)例子，當(dāng)鋰電池過(guò)熱時(shí)，這可能會(huì)導(dǎo)致一些令人不快的意外。
（責(zé)任編輯：fqj）