마이크로칩의 발전 덕분에 오늘날의 스마트폰은 너무 강력해서 1990년대 초에는 슈퍼컴퓨터로 간주되었을 정도입니다.그러나 인공 지능과 사물 인터넷(스마트 그리드에서 스마트 홈에 이르기까지 모든 것을 가능하게 하는 연결된 장치의 광대한 네트워크)이 널리 보급됨에 따라 이전의 소형화 및 성능 기록을 능가할 뿐만 아니라또한 현재 기술보다 에너지 효율적입니다.

이러한 노력의 일환으로 버클리 연구소의 과학자들은 뛰어난 성능과 에너지 효율성을 위해 컴퓨터 마이크로칩의 기본 구성 요소 중 하나인 트랜지스터를 혁신하기 위해 노력하고 있습니다.최근 작품는 보다 효율적인 메모리 및 논리 장치를 가능하게 하기 위해 음의 커패시턴스라는 특이한 특성을 사용하는 새로운 트랜지스터 재료의 가능성을 보여주었습니다.재료가 음의 정전 용량을 가지면 더 낮은 전압에서 더 많은 양의 전하를 저장할 수 있는데, 이는 기존 용량성 재료에서 발생하는 것과 반대입니다.

이제 다양한 분야의 연구자들로 구성된 팀이 음의 커패시턴스의 기원에 대한 원자론적 이해를 개발하여 특정 장치 응용 분야에 대해 이 현상을 강화하고 맞춤화할 수 있게 되었습니다.이러한 발전은 FerroX가 있었기에 가능했습니다.오픈 소스, 음정전용량 연구를 위해 팀이 맞춤 설계한 3D 시뮬레이션 프레임워크.그들의 일은보고됨일지에첨단전자재료.

이 작업은 기존 실리콘 칩보다 더 나은 성능을 발휘하고 더 적은 에너지를 필요로 하는 새로운 마이크로칩을 설계하는 것을 목표로 하는 "CMOS 마이크로 전자공학을 넘어서는 초저전압 공동 설계"라는 다년간의 프로젝트의 중요한 이정표를 나타냅니다.

재료 개발이 응용 분야와 긴밀하게 연결되는 것은 드문 일이 아니지만, 재료 특성에 대한 원자론적 이해가 특정 장치 요구 사항에 따라 주도되고 정보를 제공받는 버클리 연구소의 마이크로 전자 공학 연구에 대한 공동 설계 접근 방식은 모든 측면에서 연구 목표 간의 연결을 강화합니다.장치 개발을 담당하며 R&D에서 상용화까지의 경로를 가속화하려는 희망으로 연구소가 유명한 학제간 팀 과학에 의존합니다.

"새로운 재료를 만드는 데는 많은 시행착오가 있습니다. 이는 새로운 레시피를 만드는 것과 같습니다. 연구원은 일반적으로 해당 레시피를 변경하기 위해 실험실에서 밤낮으로 작업해야 합니다. 하지만 당사의 모델링 도구인 FerroX를 사용하면 원하는 대로 사용할 수 있습니다.버클리 연구소 응용 수학 및 전산 연구 부서의 연구 과학자이자 이번 연구의 수석 저자인 Zhi (Jackie) Yao는 "음의 커패시턴스 효과의 성능에 영향을 미칠 수 있는 특정 매개 변수를 목표로 삼는 자체 컴퓨터를 보유하고 있습니다."라고 말했습니다.

Yao와 제1저자인 응용 수학 및 전산 연구 부문의 박사후 연구원인 Prabhat Kumar는 마이크로 전자 공학 공동 설계 프로젝트를 위해 FerroX 개발을 공동으로 주도했습니다.

음의 커패시턴스의 원자적 기원을 밝히다

2008년 공동 저자이자 UC Berkeley의 전기 공학 및 컴퓨터 과학 교수이자 Berkeley Lab 재료 과학 부문의 선임 과학자인 Sayeef Salahuddin은 에너지 효율적인 컴퓨터 설계에 대한 새로운 접근 방식을 보여주기 위해 음의 정전 용량 개념을 처음으로 제안했습니다.

음의 정전 용량은 일반적으로 강유전성 특성을 지닌 재료에서 나타납니다.강유전성 재료는 내장된 전기 분극을 사용하여 저전력 전기장을 사용하여 쓰고 지울 수 있는 데이터를 저장할 수 있기 때문에 에너지 효율적인 컴퓨터 메모리로 유망합니다.

Salahuddin의 선구적인 제안 이후 몇 년 동안 연구자들은 강유전성 산화 하프늄과 산화 지르코늄(HfO₂-ZrO₂)은 필름이 여러 단계의 혼합물로 구성될 때 발생합니다.

이는 필름의 작은 영역 또는 "입자"가 원자 또는 "상"의 배열이 약간 다르다는 것을 의미합니다.이러한 상 입자의 크기는 아주 작습니다(폭이 몇 나노미터에 불과함). 그러나 서로 다른 상은 서로 상호 작용할 수 있고 음의 커패시턴스와 같은 거시적 현상을 일으킬 수 있는 뚜렷한 전자 특성을 가지고 있습니다.

Salahuddin 그룹은 이미 기록적인 마이크로커패시터를 생산하기 위해 이 현상을 이용했지만, 음의 정전용량의 잠재력을 최대한 활용하기 위해 연구자들은 그 원자적 기원에 대한 더 깊은 이해가 필요했습니다.

이를 위해 Yao와 Kumar가 공동으로 이끄는 여러 분야의 팀이 FerroX를 개발했습니다.오픈 소스 프레임워크를 통해 그들은 강유전성 박막의 3D 위상장 시뮬레이션을 개발할 수 있었으며, 여기에서 상 구성을 마음대로 변경하고 필름의 전자 특성에 미치는 영향을 연구할 수 있었습니다.

Kumar는 "우리의 목표는 잘 이해되지 않은 필름에서 음의 정전용량의 기원을 이해하는 것이었습니다"라고 말했습니다."우리의 시뮬레이션은 연구원들이 실험실에서 관찰된 음의 정전 용량을 더욱 향상시키기 위해 재료의 특성을 맞춤화하는 데 도움을 준 최초의 사례입니다."

그 결과, 버클리 연구소 연구진은 강유전성 입자의 크기를 줄이고 강유전성 분극의 특정 방향을 갖도록 배열하는 등 도메인 구조를 최적화함으로써 음의 정전 용량 효과를 강화할 수 있음을 발견했습니다.

Yao는 "이전 모델에는 설계 공간을 쉽게 탐색할 수 있는 확장성이 부족하고 물리적 사용자 정의가 부족했기 때문에 음의 커패시턴스를 향상시키는 이러한 접근 방식은 연구 이전에는 알려지지 않았습니다."라고 말했습니다.

Yao는 이 새로운 모델링 기능을 FerroX 개발팀이 강유전체의 물리학을 중심으로 모델을 형성하는 방법을 이해하도록 도운 Salahuddin과 같은 재료 과학자들과 직접 작업한 것과 과학 분야의 연구자들이 연구하는 Berkeley Lab의 독특한 다학문적 강점 덕분이라고 생각합니다.에너지부 산하 국가 에너지 연구 과학 컴퓨팅 센터(NERSC)의 Perlmutter 슈퍼컴퓨터와 매우 가까운 곳에 있습니다.

Perlmutter는 한 번에 여러 그래픽 처리 장치(GPU)가 필요한 복잡한 시뮬레이션, 데이터 분석 및 인공 지능 실험을 지원합니다.Yao, Kumar 및 팀은 Perlmutter에 크게 의존하여 FerroX를 개발했습니다. FerroX는 현재 랩탑에서 슈퍼컴퓨터로 이식 가능한 오픈 소스 프레임워크로 다른 연구자들이 사용할 수 있습니다.

Yao는 "FerroX가 학계, 산업체, 국립 연구소의 광범위한 연구자 커뮤니티를 도울 수 있다는 것은 매우 흥미로운 일입니다."라고 말했습니다.

현재 연구의 FerroX 모델은 트랜지스터 게이트에서 발전하는 음의 커패시턴스의 기원을 시뮬레이션하는 반면, Berkeley Lab 팀은 향후 연구에서 오픈 소스 프레임워크를 사용하여 전체 트랜지스터를 시뮬레이션할 계획입니다.

"수년에 걸쳐 우리는 음의 커패시턴스 물리학과 그 물리학을 실제 마이크로 전자 장치에 통합하는 데 있어 상당한 진전을 이루었습니다."라고 Salahuddin은 말했습니다."FerroX를 사용하면 이제 원자에서 시작하여 이러한 장치를 모델링할 수 있으며 이를 통해 최적의 네거티브를 갖춘 마이크로 전자 장치를 설계할 수 있습니다.정전 용량성능.이는 컴퓨팅 과학과 재료 과학을 포괄하는 공동 설계 연구원 그룹의 힘이 없었다면 불가능했을 것입니다."

추가 정보:Prabhat Kumar 외, 다결정 다결정 다상 하프니아 및 지르코니아 기반 초박막의 3D 강유전체 위상 필드 시뮬레이션,첨단전자재료(2024).DOI: 10.1002/aelm.202400085