Supercomputer-Simulation erforscht schnellere Chips

Für die Untersuchung hat das Team verschiedene Materialkompositionen unter Einsatz von fünfzig verschiedenen Modellen von Hafnium-Silikaten simuliert. Dabei handelt es sich um Materialien, die beim Vermischen von Silizium- und Hafnium-Oxiden entstehen. Diese Modelle enthalten bis zu 600 Atome sowie annähernd 5000 Elektronen und repräsentieren ein realistisches System. Eine einzelne Berechnung der dielektrischen Konstante pro Modell wurde in fünf Tagen Rechenzeit auf dem Blue-Gene/L-Supercomputer mit 4096 Prozessoren durchgeführt.

Der Ansatz des IBM-Teams heißt „Ab-Initio-Molekulardynamik“. Dabei werden die Interaktionen zwischen den Teilchen eines Systems von den grundlegenden Gesetzen der Physik abgeleitet, ohne dass empirisch gewonnene Daten eingesetzt würden. In der Folge hat das Team mehr als fünfzig virtuelle Modelle von Hafnium-Silikaten mit verschiedenen Konzentrationen von Hafnium auf dem Supercomputer geschaffen. Für die komplette Simulation aller fünfzig Modelle bedarf es etwa 200 Billionen mal Billionen (2 x 10²⁰) Berechnungen. Blue Gene benötigt dafür etwa 250 Tage Rechenzeit, auf den derzeit stärksten Laptop-PCs würden sie etwa 700 Jahre dauern. Doch die Entwicklung dieser Strukturen wurde über eine bestimmte Zeitstrecke simuliert und ihre dielektrische Konstante eingeschätzt. Die Ergebnisse verwendet man wiederum dazu, die experimentellen Befunde zu erklären.

Der Vorteil computerbasierter Simulationen ist, dass sie als virtuelle Experimente frei von den inherenten Problemen von Laborexperimenten sind. Verfälschend wirken beispielsweise Effekte aus Experimentvorbereitungen, der Grad der Reinheit der verwendeten Materialien oder parasitische Reaktionen. Am Wichtigsten aber ist, dass mit der Simulation das Verhalten von individuellen Atomen verfolgt werden kann.