新計算機模擬框架協助科學家推進節能微電子技術

主要要點

• 研究人員開發了FerroX，一個新的開源3D模擬框架，這將通過揭示一種稱為負電容的物理現象在鐵電薄膜中的微觀起源，推進微電子學的創紀錄能效。

• 該模擬框架將幫助研究人員比目前依賴於昂貴材料生長和設備製造投資的方式更快、更便宜地開發超低功耗微電子技術。

• 這項工作實現了一項新的研究能力：在裝置級別以3D模擬負電容的原子起源。

得益於微晶片的進步，今天的智能手機功能強大，以至於在1990年代初會被認為是超級計算機。然而，隨著人工智慧和物聯網的日益普及——這是一個連接設備的龐大網絡，使得從智能電網到智能家居的一切成為可能——將需要新一代微晶片，不僅要超越以往的微型化和性能紀錄，還必須比當前技術更具能源效率。

作為這項努力的一部分，伯克利實驗室的科學家正在努力革命化晶體管，這是計算機微晶片中的基本組件，以實現卓越的性能和能源效率。最近的研究顯示，使用一種名為負電容的非尋常特性的新型晶體管材料展現出未來應用的潛力，能夠實現更高效的記憶體和邏輯裝置。當一種材料具有負電容時，它可以在較低的電壓下儲存更多的電荷，這正好與傳統電容材料的行為相反。

現在，一個多學科的研究團隊已經發展出對負電容來源的原子層次理解，使他們能夠增強和定制這一現象以滿足特定設備的應用需求。這一進展得益於FerroX，一個開源的3D模擬框架，該團隊為研究負電容特意設計。其研究結果發表在《先進電子材料》期刊上。

這項工作代表了一個多年項目的重要里程碑，“超低電壓超越CMOS微電子學的協同設計”，該項目於2021年由美國能源部資助，旨在設計能夠比傳統硅晶片性能更優且需要更少能量的新型微晶片。

雖然材料開發與應用密切相關並不罕見，但伯克利實驗室的微電子學研究協同設計方法，通過特定設備需求來驅動和告知材料性能的原子層次理解，進一步加強了設備開發中所有研究目標之間的聯繫，並依賴於實驗室著名的跨學科團隊科學，期望加速從研發到商業化的過程。

“在新材料的製作中有很多試錯過程。這就像創造一個新食譜。研究人員通常需要在實驗室日以繼夜地調整這個食譜。但使用我們的模擬工具FerroX，您可以使用自己的計算機針對可能影響負電容效應性能的特定參數進行調整，” 伯克利實驗室應用數學與計算研究部門的研究科學家暨該研究的資深作者姚志（Zhi Jackie Yao）表示。

姚志和首席作者普拉巴特·庫馬（Prabhat Kumar），應用數學與計算研究部門的博士後研究學者，共同領導了FerroX的開發，為微電子學協同設計項目提供支持。

揭示負電容的原子起源

在2008年，合著者薩耶夫·薩拉胡丁（Sayeef Salahuddin），加州大學伯克利分校電機與計算機科學教授、伯克利實驗室材料科學部的資深教員科學家，首次提出了負電容的概念，以展示設計能源高效計算機的新方法。負電容通常出現在具有鐵電特性的材料中。鐵電材料因其內建的電極化特性可以用來存儲數據，這使其成為能源高效計算機記憶體的有前途選擇，例如，可以通過低功率電場進行寫入和擦除的數據。

在薩拉胡丁的開創性提議之後的幾年內，研究人員已經了解到，鐵電氧化鋯和氧化鋯（HfO₂-ZrO₂）薄膜中的負電容效應發生在這些薄膜由相的混合組成時。這意味著薄膜的小區域或“顆粒”具有稍微不同的原子排列或“相”。這些相顆粒的大小非常微小——僅幾納米寬——但不同的相具有不同的電子性質，能相互作用並產生如負電容等宏觀現象。

薩拉胡丁小組已經利用這一現象製造出創紀錄的微電容器，但為了充分發揮負電容的潛力，研究人員需要更深入了解其原子層次的起源。

為了實現這一目標，由姚志和庫馬共同領導的多學科團隊開發了FerroX。這一開源框架使他們能夠開發鐵電薄膜的3D相場模擬，在模擬中可以隨意改變相的組成並研究對薄膜電子性質的影響。

“我們的目標是了解這些薄膜中負電容的來源，目前對其了解不夠深入，”庫馬表示。“我們的模擬是首個幫助研究人員調整材料性質以改善實驗室中觀察到的負電容的工具。”

因此，伯克利實驗室的研究人員發現，通過優化域結構——減少鐵電顆粒的大小並安排它們具有特定的鐵電極化方向，可以增強負電容效應。

“在我們的研究之前，這種增強負電容的方法是未知的，因為之前的模型缺乏可擴展性，無法輕鬆探索設計空間，且缺乏物理定制能力，”姚志說。

姚志將這一新的建模能力歸功於與像薩拉胡丁（Salahuddin）這樣的材料科學家直接合作，他幫助FerroX開發團隊理解如何圍繞鐵電物理來塑造他們的模型，以及伯克利實驗室獨特的多學科優勢，研究人員在這裡可以靠近美國能源部國家能源研究科學計算中心（NERSC）的Perlmutter超級計算機。Perlmutter支持複雜的模擬、數據分析和需要多個圖形處理單元（GPU）同時運行的人工智能實驗。姚志、庫馬及其團隊在開發FerroX時大量依賴Perlmutter，這一開源框架現在可以從筆記本電腦移植到超級計算機，供其他研究人員使用。

“FerroX能夠幫助如此龐大的學術界、工業界和國家實驗室的研究人員社群，這令人感到興奮，”姚志表示。

雖然目前研究中的FerroX模型模擬了負電容在晶體管閘極進化的起源，但伯克利實驗室團隊計劃在未來的研究中使用這一開源框架來模擬整個晶體管。

“多年來，我們在負電容的物理學和將這種物理學整合到實際微電子設備中的進展顯著，”薩拉胡丁說。“有了FerroX，我們現在可以從原子開始建模這些設備，這將使我們能夠設計具有最佳負電容性能的微電子設備。如果沒有這個跨越計算科學和材料科學的協同設計研究小組的力量，這是無法實現的。”

NERSC是伯克利實驗室的一個美國能源部科學辦公室用戶設施。

這項研究的其他作者包括安迪·野中（Andy Nonaka，伯克利實驗室）和邁克爾·霍夫曼（Michael Hoffman，加州大學伯克利分校）。

伯克利實驗室的艾莉森·哈特（Alison Hatt）對本文有貢獻。

從原子到架構：伯克利實驗室的微電子學協同設計研究人員如何從內部構建節能微晶片

伯克利實驗室在追求更高性能和更高能源效率的微電子學中採用了協同設計的方法。

協同設計意味著專注於問題不同部分的專家以協同的方式互相告知和指導，以比傳統線性方法更快地推動創新。

這些伯克利實驗室的科學家緊密合作，開發利用原子尺度現象的材料，建造半導體器件製造的新工具，並設計新的計算機模擬以虛擬測試系統和材料。

伯克利實驗室的微電子學協同設計方法被描述為“從原子到架構”，它利用該實驗室獨特的設施和能力來提供變革性的科學解決方案。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室世界一流的科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。