作者:苏黎世联邦理工学院西蒙·乌尔姆 在高电流密度下所谓的鳍式场效应晶体管中的自加热
每个构成硅原子的颜色是根据其温度而定的
信用:让·法夫尔，CSCS 苏黎世联邦理工学院的两个研究小组开发了一种方法，可以逼真、快速、高效地模拟纳米电子器件及其特性
这给行业和数据中心运营商都带来了一线希望，他们都在与越来越小、越来越强大的晶体管带来的(过热)问题作斗争
芯片制造商已经在组装直径只有几纳米的晶体管
它们比人类的头发要小得多，人类头发的直径约为20，000纳米(如果是更细的头发的话)
现在，对越来越强大的超级计算机的需求正在推动该行业开发更小但同时更强大的组件
然而，除了物理定律使制造超大规模晶体管变得更加困难之外，不断增加的散热问题也让制造商处于一个棘手的境地——部分原因是冷却需求的急剧上升以及由此产生的能源需求
在一些数据中心，冷却计算机已经占了高达40%的功耗，由联邦理工学院教授托尔斯滕·霍夫勒和马修·路易斯耶领导的研究小组在他们的最新研究中报告说，他们希望这将有助于开发更好的方法
通过他们的研究，研究人员获得了美国计算机学会戈登·贝尔奖，这是超级计算机领域最负盛名的奖项，每年在美国超级计算会议上颁发
为了使今天的纳米晶体管更加高效，苏黎世联邦理工学院集成系统实验室(IIS)的路易斯耶领导的研究小组使用名为“预兆”(OMEN)的软件模拟晶体管，这是一种所谓的量子传输模拟器
奥曼基于密度泛函理论进行计算，允许在原子分辨率和量子力学水平上对晶体管进行逼真的模拟
该模拟可视化了电流如何流经纳米晶体管，以及电子如何与晶体振动相互作用，从而使研究人员能够精确识别产生热量的位置
反过来，OMEN也提供了有用的线索，说明哪里还有改进的空间
使用优化模拟改进晶体管 到目前为止，传统的编程方法和超级计算机只允许研究人员模拟由大约1000个原子组成的晶体管的散热，因为处理器之间的数据通信和内存需求使得不可能产生更大物体的真实模拟
大多数计算机程序不会花费大部分时间来执行计算操作，而是在处理器、主存储器和外部接口之间移动数据
根据科学家的说法，女性在沟通方面也遭遇了明显的瓶颈，这降低了她们的表现
“该软件已经在半导体行业使用，但在数字算法和并行化方面还有相当大的改进空间，”路易斯说
直到现在，根据电热问题的物理原理，设计了门的并行化，正如路易斯解释的那样
现在，博士
D
苏黎世联邦理工学院可扩展并行计算实验室负责人霍弗勒领导下的学生亚历山大·齐奥格斯和博士后塔尔·本-努没有研究物理学，而是研究了数据之间的相关性
他们根据这些依赖关系重组了计算操作，有效地不考虑底层物理
在优化代码的过程中，他们得到了世界上最强大的两台超级计算机的帮助——瑞士国家超级计算中心(CSCS)的“皮兹·戴恩”和美国橡树岭国家实验室的“峰会”，后者是世界上最快的超级计算机
据研究人员称，由此产生的代码——被称为DACE OMEN——产生的模拟结果与原始OMEN软件的结果一样精确
据报道，DaCe OMEN首次使研究人员有可能在相同数量的处理器上产生由10，000个原子组成的10倍大小的晶体管的真实模拟，比最初的1000个原子的方法快14倍
总的来说，达科奥姆比奥姆的效率高两个数量级:在峰会上，可以模拟一个真实的晶体管，速度高达140倍，持续性能为85
每秒45千兆次，并且在4560个计算机节点上以双倍的精度实现
这种计算速度的极大提高为研究人员赢得了戈登·贝尔奖
以数据为中心的编程 科学家们通过应用霍弗勒研究小组开发的以数据为中心的并行编程(DAPP)原理实现了这种优化
这里，目标是最小化数据传输，从而最小化处理器之间的通信
“这种类型的编程不仅允许我们非常准确地确定在程序的不同级别上可以在哪里改进这种通信，还允许我们如何在单个状态的计算中调整特定的计算密集型部分，即计算内核，”本-尼恩说
这种多级方法使得优化应用程序成为可能，而不必每次都重写它
数据移动也得到优化，无需修改原始计算，并且适用于任何所需的计算机体系结构
“当我们为目标架构优化代码时，我们现在只是从性能工程师的角度来改变它，而不是从程序员的角度——也就是说，将科学问题转化为代码的研究人员的角度，”霍夫勒说
他说，这导致了计算机科学家和跨学科程序员之间非常简单的接口的建立
DaCe OMEN的应用表明，大多数热量是在纳米晶体管沟道末端附近产生的，并揭示了热量是如何从那里传播并影响整个系统的
科学家们确信，这种模拟电子元件的新方法有多种潜在的应用
一个例子是锂电池的生产，当它们过热时会导致一些不愉快的意外
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