Nieuwe computermethode pakt obstakels aan bij fonongebaseerde warmtesimulatie

Naarmate elektronische apparaten steeds kleiner worden, wordt warmtebeheer op nanoschaal een uitdaging, vooral voor apparaten die in submicrons werken. Traditionele warmtegeleidingsmodellen slagen er niet in het complexe gedrag van thermische overdracht op deze schaal vast te leggen, waarbij fononen (vibrerende energiedragers in de roosterstructuur) domineren.

Er zijn met name twee belangrijke obstakels die aangepakt moeten worden bij fonon-gebaseerde warmtesimulatie. De eerste is de afhankelijkheid van empirische parameters, wat de aanpasbaarheid van het model aan verschillende materialen beperkt, terwijl de andere de enorme rekenkracht is die nodig is voor driedimensionale (3D) simulaties.

In een studie gepubliceerd door een team van onderzoekers van de Shanghai Jiaotong University, onder leiding van thermofysicaprofessor Hua Bao, wordt een nieuwe computationele methode gerapporteerd die deze uitdagingen aanpakt. Het werk is gepubliceerd in het dagboek Fundamenteel onderzoek.

“Wanneer apparaatgroottes krimpen tot schalen die vergelijkbaar zijn met de gemiddelde vrije padlengte van de fonon, is de klassieke Fourier-wet niet langer van toepassing,” legt Bao uit. “Om warmtegeleiding nauwkeurig te modelleren, moeten we de fonon-Boltzmann-transportvergelijking (BTE) gebruiken. Dat gezegd hebbende, het efficiënt oplossen van deze vergelijking voor 3D-structuren is een uitdaging geweest.”

Niettemin, door Fermi’s gouden regel toe te passen om de benodigde parameters nauwkeurig te berekenen vanuit eerste principes, elimineerde het team met succes de noodzaak van empirische parameters. Deze doorbraak maakt het mogelijk om het model toe te passen op een breed scala aan materialen, terwijl de hoge nauwkeurigheid behouden blijft.

Bovendien verhoogt de introductie van geavanceerde numerieke algoritmen de simulatie-efficiëntie dramatisch. Bijvoorbeeld, een 3D FinFET-apparaat met 13 miljoen vrijheidsgraden, waarvoor voorheen honderden CPU-cores gedurende meerdere uren nodig waren, kan nu in minder dan twee uur worden gesimuleerd op een gewone desktopcomputer.

“Onze methode verlaagt niet alleen de computerkosten, maar maakt ook nauwkeurige thermische simulaties mogelijk voor complexe nanostructuren. Dit levert cruciale inzichten op voor het ontwerpen van materialen met specifieke thermische eigenschappen en het nauwkeurig oplossen van temperatuurprofielen op transistorniveau”, aldus Bao.

Naast de algoritmische verbeteringen ontwikkelde het team GiftBTE, een open-source softwareplatform dat is ontworpen om verdere ontwikkelingen in submicron warmteoverdrachtssimulatie te vergemakkelijken. De onderzoekers hopen dat hun aanpak de weg vrijmaakt voor toekomstige studies en real-world toepassingen in nano-elektronica en thermofysica.

“Wij geloven dat ons werk andere wetenschappers zal aanmoedigen om nieuwe toepassingen voor BTE-gebaseerde simulaties te onderzoeken, met name in complexe multifysische scenario’s zoals elektrothermische koppeling in apparaten”, voegt Bao toe.