Projekt

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Towards extreme-scale coupled electrothermal simulations of realistic nano-devices

Titel Englisch Towards extreme-scale coupled electrothermal simulations of realistic nano-devices
Gesuchsteller/in Schenk Olaf
Nummer 149454
Förderungsinstrument Projektförderung (Abt. I-III)
Forschungseinrichtung Facoltà di scienze informatiche Università della Svizzera italiana
Hochschule Università della Svizzera italiana - USI
Hauptdisziplin Informatik
Beginn/Ende 01.04.2014 - 31.03.2017
Bewilligter Betrag 328'290.00
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Alle Disziplinen (2)

Disziplin
Informatik
Elektroingenieurwesen

Keywords (5)

electro-thermal transport, atomistic device simulation, high-performance computing, sparse direct solver, Non-equilibrium Green's Function formalism

Lay Summary (Deutsch)

Lead
In diesem SNF Projekt wird an der Entwicklung von parallelen numerischen Verfahren zur Lösung der NEGF Gleichung gearbeitet. Diese Verfahren sind von grosser Bedeutung in der rechnergestützten Nanoelektronik und stellen einer der Kernkomponenten des OMEN Simulationscodes dar, welcher an der ETH Zürich regelmässig zur Simulation von quantenphysikalischen Effekten eingesetzt wird.
Lay summary
Die Berechnung von Eigenschaften nanostrukturierter Materialien ist sehr aufwendig und erfordert den Einsatz von Hochleistungsarchitekturen und skalierbaren algorithmischen Simulationsmodellen. Hierzu ist die Anpassung und Optimierung von Programmcodes auf hochleistungsfähige Multicore und Architekturen unerlässlich. Insbesondere stellen diese neuartigen Rechnerarchitekturen für Wissenschaftler  Herausforderungen dar, wie etwa das Management der Datenlokalität und der Rechenlastverteilung zu optimieren.  Andererseits haben neue Materialien sehr komplexe Materialeigenschaften, welche eine Behandlung auf verschiedenen Größen- und Zeitskalen erforderlich macht. Auf der kürzesten Längenskala (Nanometer) werden die Strukturen mit atomarer Auflösung modelliert und Eigenschaften werden quantenmechanisch z.B. mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie (DFT) oder NEGF berechnet. In diesem SNF Projekt wird an der Entwicklung von parallelen numerischen Verfahren zur Lösung der NEGF Gleichungen gearbeitet. Diese Verfahren sind von grosser Bedeutung in der rechnergestützten Nanoelektronik und stellen einer der Kernkomponenten des OMEN Simulationscodes dar, welcher an der ETH Zürich regelmässig zur Simulation von quantenphysikalischen Effekten eingesetzt wird.

 

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 05.02.2014

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Zusammenarbeit

Gruppe / Person Land
Felder der Zusammenarbeit
Dr. Chao Yang Vereinigte Staaten von Amerika (Nordamerika)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Austausch von Mitarbeitern
Prof. Dr. Mathieu Luisier Schweiz (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Forschungsinfrastrukturen
Dr. Heike Riel Schweiz (Europa)
- vertiefter/weiterführender Austausch von Ansätzen, Methoden oder Resultaten
- Publikation
- Industrie/Wirtschaft/weitere anwendungs-orientierte Zusammenarbeit

Wissenschaftliche Veranstaltungen

Aktiver Beitrag

Titel Art des Beitrags Titel des Artikels oder Beitrages Datum Ort Beteiligte Personen
High Performance Conference, Session on Algorithms for Extreme Scale in Practice Vortrag im Rahmen einer Tagung Towards Extreme Scalable Selected Inversion Algorithm for Green's Function Calculation in Nanoelectronic Device Simulation 20.06.2017 Frankfurt, Deutschland Schenk Olaf
HPCSE17 Vortrag im Rahmen einer Tagung Algorithms for Extreme Scale in Practice 12.06.2017 University of Ostrava & IT4Innovations National Supercomputing Center, Tschechische Republik Schenk Olaf
SIAM Conference on Computational Science and Engineering (CSE17) Vortrag im Rahmen einer Tagung Scalable selective inversion and stochastic estimation of inverse matrices 14.02.2017 Atlanta, Vereinigte Staaten von Amerika Verbosio Fabio
Seminar at Supercomputing Division, Information Technology Center, The University of Tokyo, Tokyo, Japan Einzelvortrag Direct solvers for sparse matrices: Introduction, applications and supercomputing 07.12.2016 Tokyo, Japan Schenk Olaf
1st International Symposium on Research and Education of Computational Science Vortrag im Rahmen einer Tagung Towards Extreme Scalable Selected Inversion Algorithm for Green’s Function Calculation in Nanoelectronic Device Simulation 05.12.2016 Tokyo, Japan Schenk Olaf
22th Int. Conf. on Simulation of Semi- conductor Processes and Devices (SISPAD) Vortrag im Rahmen einer Tagung Modeling the Thermal Conductivity of Si Nanowires with Surface Roughness 22.09.2016 Nuremberg, Deutschland Vuttivorakulchai Kantawong
International Workshop on Parallel Matrix Algorithms and Applications (PMAA16) Vortrag im Rahmen einer Tagung Highly parallel stochastic estimation of the diagonal of inverse matrices 12.07.2016 Bordeaux, Frankreich Verbosio Fabio
SIAM Conference on Parallel Processing for Scientific Computing (PP16) Vortrag im Rahmen einer Tagung Highly scalable selective inversion using sparse and dense matrix algebra 11.04.2016 Paris, Frankreich Verbosio Fabio
ZICE’16, Zurich Initiative on Computational Economics Vortrag im Rahmen einer Tagung Applications of Large-Scale Nonlinear Optimization at the Petascale: Achievements and Perspectives in Switzerland 16.02.2016 Zurich, Schweiz Schenk Olaf
First Annual Meeting of Applied Mathematics: Frontier Aspects of Applied Mathematics Vortrag im Rahmen einer Tagung Extreme-Scale Stochastic Optimizations: HPC, Numerics and Applications 14.12.2015 Taipei, Taiwan Schenk Olaf
IEEE Nano Conference 2015 Vortrag im Rahmen einer Tagung Coupled electro-thermal transport in nanostructures, 15.07.2015 Rome, Italien Vuttivorakulchai Kantawong
Seminar Pacific Institute for the Mathematical Sciences, Vancouver, Canada Einzelvortrag Performance Engineering for Future Exascale Architectures 05.01.2015 Vancouver, Kanada Schenk Olaf


Verbundene Projekte

Nummer Titel Start Förderungsinstrument
159314 Physics-based Modeling of Electronic Devices at the Nanometer Scale 01.08.2015 SNF-Förderungsprofessuren

Abstract

The goal of this project is to accelerate the simulation of realistic nano-devices with coupled electrothermal transport using advanced numerical methods on massively parallel architectures and a hierarchical modeling approach. The increase in heat dissipation and power consumption is currently reaching a critical level in integrated circuits. If this trend does not stop in the near future, it will no longer be possible to sufficiently cool down electronic devices, thus severely degrading their performance and lifetime. This problem is becoming even more important now that the size of the transistors, the active components of ICs, does not exceed a few nanometers and their gate contact lets more and more electrons leak between source and drain in stand by mode. Designing, fabricating, and characterizing novel energy-efficient nano-transistors is a long and expensive process that can be greatly supported by device simulation. This research activity can help reduce heat generation and manage power dissipation in nanostructures, provided that a technology computer aided design tool capable of treating both electrical and thermal transport at a quantum mechanical level and with an atomistic resolution exists. Drift-diffusion solvers, as widely used in industry and academia, usually offer energy-balance and electrothermal models that are computationally very efficient, but lack predictability at the nanometer scale where energy quantization, geometrical confinement, and intra- and band-to-band tunneling play a significant role. A quantum transport simulator can deliver accurate performance predictions at the nanoscale if electron-phonon and phonon-phonon scattering are taken into account so that energy gain/loss, anharmonic phonon decay, and self-heating effects are correctly described. The problems with such an approach are that it is computationally very intensive, it needs a calibration of its scattering mechanisms to compensate for the necessary approximations it contains, and it cannot be used to explore a large design space due to its limited computational efficiency. Here, we propose to address all these issues. The TORNAD project will engage in research along two directions to provide the device modeling community and the semiconductor industry with a beyond state-of-the-art quantum-transport simulation approach dedicated to next-generation nano-transistors such as 3-D Si, Ge, InGaAs nanowire and 2-D transistors: 1. massively parallel and advanced sparse numerical linear algebra algorithms will be developed and implemented to solve the non-equilibrium Green's function equations in the presence of dissipative scattering mechanisms. They will be benchmarked against existing techniques; 2. a hierarchical modeling approach going from density-functional theory down to quantum drift-diffusion calculations will be established. As a central point, the energy-balance and electrothermal model of a commercial drift-diffusion simulator, Sentaurus-Device , will be calibrated with results from an accurate, but computationally very intensive quantum transport solver.