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Zurich, Schweitz, 26. Februar 2007—IBM (NYSE:IBM)
Forscher haben heute einen wichtigen Fortschritt in computerbasierten
Simulationen vorgestellt. Mit der heutigen Neuvorstellung können
Chiptechnologien auf neue Leistungs- und Funktionalitätshöhen
gebracht werden. Wie in einem Beitrag in der Fachzeitschrift Physical
Review Letters bekannt gegeben, hat ein Forscherteam im Zürcher
IBM Forschungslabor erstmals fortschrittliche supercomputerbasierte
Modelle eingesetzt, um das komplexe Verhalten eines neuen Materials — Hafnium-Dioxid
— in Siliziumtransistoren, den fundamentalen Bausteinen von Computerchips,
besser zu verstehen und zu beherrschen.
Das neue Material ist ein Schlüssel zur jüngst vorgestellten
"High-k-Metal-Gate-Technologie", der ersten grösseren
Veränderung am Transistor seit den Silizium-Halbleitern, mit
vielversprechenden Möglichkeiten für gesteigerte Chipleistung
zum Nutzen von Computern und anderen elektronischen Systemen. IBM
plant, die Technologie ab dem Jahr 2008 zu verwenden und bei ihren
Produkten einzusetzen.
Die Halbleiterindustrie hat lange nach einem neuen Material für
den wesentlichen Teil des Transistors, der als Gate Dielectric
(Gatter-Dielektrikum) bezeichnet wird, gesucht. Mit den jetzigen
Materialien war die Fähigkeit der Industrie, mit den Prognosen
von Moore's Gesetz Schritt zu halten, begrenzt. Das Moore'sche Gesetz
sagt eine Verdopplung der Anzahl der Transistoren auf einem Chip
und der damit verbundenen Steigerung der Chipleistung alle 12-18
Monate voraus.
Hafnium-Dioxid erschien als ein idealer Kandidat für die Transistorgates
der nächsten Generation. Jedoch kann die Einführung jeglichen
neuen Materials bei Halbleitern unvorhergesehene Konsequenzen haben
und muß daher vorher komplett verstanden worden sein. Ein
wesentlicher Faktor, der zum Erfolg von IBM bei dieser komplexen
Aufgabe beigetragen hat, war die Simulation des Verhaltens des Material
auf atomarem Niveau.
Die Forscher im IBM Labor Zürich haben dabei ihre langjährige
Expertise bei computerbasierten Modellen in Kombination mit den
Fähigkeiten des IBM Blue Gene-Supercomputers genützt,
um herauszufinden, warum Hafnium-Dioxide so viel besser geeignet
ist als andere High-k-Materialien, die vorher von der Industrie
in Betracht gezogen worden sind. Als Ergebnis haben die Forscher
erstmals ein klares Bild von der zugrundelegenden Physik erhalten,
die das spezielle elektrische Verhalten von Hafnium-Dioxid bei der
Vermischung mit Silizium erklärt, wie es in Laborexperimenten
beobachtet wurde. Dabei wurde ein Licht auf die Ursachen geworfen,
die das Material als Gatter-Dielektrikum einzigartig macht.
Für die Untersuchung hat das IBM Team verschiedene Materialkompositionen
unter Einsatz von fünfzig verschiedenen Modellen von Hafnium-Silikaten
simuliert, das sind Materialien, die sich bilden, wenn Silizium-
und Haffnium-Oxide sich mischen. Diese Modellen enthalten bis zu
600 Autome und annähernd 5000 Elektronen und repräsentieren
ein realistisches System. Eine einzelne Berechnung der dielektrischen
Konstante pro Modell wurde in nur fünf Tagen Rechenzeit auf
dem Blue Gene/L-Supercomputer mit 4096 Prozessoren durchgeführt.
Die komplette Simulation für alle fünfzig Modelle, entsprechend
etwa 250 Tage Rechenzeit auf Blue Gene, würden auf den derzeit
stärksten Laptop-PCs etwa 700 Jahre Rechenzeit benötigen.
Dies entspricht etwa 200 Billionen mal Billionen (2 mal 10 hoch
20) Berechnungen.
Diese Arbeit illustriert, wie Supercomputing-Modellierungsverfahren
Technologie auf ein neues Niveau führen kann. Computersimulationen
sind seit den 1980er Jahren möglich, aber erst jetzt — dank
der Evolution von Algorithmen und ihrer Anwendung auf einer so extrem
skalierbaren und ausbalancierten Supercomputerarchitektur wie der
von Blue Gene — sind Wissenschaftler in der Lage, derartige
Problemstellungen wie in diesem Beispiel anzugehen, indem realistische
Modelle mit einigen Tausend Teilchen geschaffen werden und man mit
den grundlegenden Gesetzen der Natur beginnt.
Der Ansatz, der vom IBM Team gewählt wurde, wird "Ab-Initio-Molekulardynamik"
genannt. Dabei werden die Interaktionen zwischen den Teilchen eines
Systems von den grundlegenden Gesetzen der Physik abgeleitet, ohne
daß empirisch gewonnene Daten eingesetzt werden. In der Folge
ihrer grundlegenden Arbeiten hat das IBM Team mehr als fünfzig
realistische virtuelle Modelle von Hafnium-Silikaten mit verschiedenen
Konzentrationen von Hafnium auf dem Supercomputer geschaffen. Dann
wurde die Entwicklung dieser Strukturen über eine bestimmte
Zeitstrecke simuliert, deren dielektrische Konstante eingeschätzt
und die Ergebnisse wurden dazu verwendet, die experimentellen Befunde
zu erklären.
Der Vorteil computerbasierter Simulationen ist, daß sie als
virtuelle Experimente frei von den inheränten Problemen von
Laborexperimenten sind, wie etwa Effekten aus Experimentvorbereitungen
oder dem Grad der Reinheit der verwendeten Materialien oder der
Präsenz von parasitischen Reaktionen. Am wichtigsten dabei
ist, daß mit der Simulation verfolgt werden kann, wie die
individuellen Atome sich verhalten. Computersimulationen erlauben
die Berechnung und direkte Zuordnung der intrinsischen und idealen
Charakteristiken eines Materials mit der Struktur auf atomarem Niveau.
Das wissenschaftlicher Papier mit dem Titel "The Anomalous
Behavior of the Dielectric Constant of Hafnium Silicates: a First
Principles Study" by C. A. Pignedoli, A. Curioni, and W. Andreoni,
wurde veröffentlicht in Physical Review Letters, Volume
98, Number 3, Article 037602 (18 January 2007).
Weiter Information über das Deep
Computing-Project im ZRL.
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