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蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的兩個研究小組開發(fā)了一種方法，可以逼真，快速，高效地模擬納米電子器件及其性能。這給行業(yè)和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商都帶來了一線希望，這兩家公司都在為越來越小且功能強(qiáng)大的晶體管帶來的（過熱）苦苦掙扎。

芯片制造商已經(jīng)在組裝尺寸僅為幾納米的晶體管。它們比人的頭發(fā)要小得多，在細(xì)的情況下，人的頭發(fā)的直徑約為20,000納米?，F(xiàn)在，對功能越來越強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)的需求正在推動行業(yè)開發(fā)更小，同時功能更強(qiáng)大的組件。

但是，除了物理規(guī)律使制造超大規(guī)模晶體管變得更加困難之外，不斷增加的散熱問題還是制造商處于棘手的狀況-部分原因是冷卻需求的急劇上升以及由此產(chǎn)生的能源需求。由ETH教授Torsten Hoefler和Mathieu Luisier領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在最近的研究中報告說，為某些數(shù)據(jù)中心冷卻計(jì)算機(jī)已經(jīng)占到了40％的功耗。他們希望這將允許開發(fā)一種更好的方法。通過他們的研究，研究人員獲得了ACM Gordon Bell獎，這是超級計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最負(fù)盛名的獎，該獎每年在美國SC超級計(jì)算會議上頒發(fā)。

為了提高當(dāng)今的納米晶體管的效率，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院集成系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（IIS）的Luisier領(lǐng)導(dǎo)的研究小組使用名為OMEN的軟件對晶體管進(jìn)行了仿真，該軟件被稱為量子傳輸模擬器。

OMEN根據(jù)所謂的密度泛函理論進(jìn)行計(jì)算，從而可以在原子分辨率和量子力學(xué)水平上對晶體管進(jìn)行逼真的仿真。該仿真可視化了電流如何流過納米晶體管以及電子如何與晶體振動相互作用，從而使研究人員能夠精確地識別產(chǎn)生熱量的位置。反過來，OMEN還提供了關(guān)于仍有改進(jìn)空間的有用線索。

直到現(xiàn)在，傳統(tǒng)的編程方法和超級計(jì)算機(jī)只允許研究人員模擬由大約1000個原子組成的晶體管的散熱，因?yàn)?a target="_blank">處理器之間的數(shù)據(jù)通信和內(nèi)存需求使得無法對大型物體進(jìn)行逼真的模擬。

大多數(shù)計(jì)算機(jī)程序不會將大部分時間花費(fèi)在執(zhí)行計(jì)算操作上，而是在處理器，主存儲器和外部接口之間移動數(shù)據(jù)。根據(jù)科學(xué)家的說法，OMEN也遭受了明顯的溝通瓶頸，從而降低了性能。Luisier說：“該軟件已經(jīng)在半導(dǎo)體行業(yè)中使用，但是在數(shù)值算法和并行化方面還有很大的改進(jìn)空間。”

到目前為止，如Luisier所解釋的那樣，OMEN的并行化是根據(jù)電熱問題的物理原理設(shè)計(jì)的?，F(xiàn)在，博士 學(xué)生Alexandros Ziogas和博士后Tal Ben-Nun（在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院可擴(kuò)展并行計(jì)算實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Hoefler的領(lǐng)導(dǎo)下工作）沒有研究物理，而是研究數(shù)據(jù)之間的依賴性。他們根據(jù)這些依賴關(guān)系有效地重新組織了計(jì)算操作，而無需考慮底層物理原理。在優(yōu)化代碼方面，他們得到了世界上最強(qiáng)大的兩臺超級計(jì)算機(jī)的幫助：瑞士國家超級計(jì)算中心（CSCS）的“ Piz Daint”和美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的“ Summit”。世界上最快的超級計(jì)算機(jī)。根據(jù)研究人員，

據(jù)報道，DaCe OMEN首次使研究人員能夠在相同數(shù)量的處理器上進(jìn)行十倍大小，由10,000個原子組成的晶體管的逼真的仿真，并且比原始方法快14倍。 1000個原子 總體而言，DaCe OMEN比OMEN的效率高出兩個數(shù)量級：在Summit上，可以仿真速度高達(dá)140倍的逼真的晶體管，并具有每秒85.45 petaflops的持續(xù)性能，這確實(shí)可以做到。因此在4,560個計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)上具有雙精度。計(jì)算速度的極大提高為研究人員贏得了戈登·貝爾獎。

科學(xué)家通過應(yīng)用由Hoefler研究小組開發(fā)的以數(shù)據(jù)為中心的并行編程（DAPP）原理實(shí)現(xiàn)了這一優(yōu)化。在此，目的是最小化數(shù)據(jù)傳輸以及因此處理器之間的通信?！斑@種類型的程序設(shè)計(jì)使我們不僅可以非常準(zhǔn)確地確定在程序的各個級別上可以改進(jìn)這種通信的地方，還可以確定如何在單個狀態(tài)的計(jì)算范圍內(nèi)調(diào)整特定的計(jì)算密集型部分，即計(jì)算內(nèi)核。 ，”本農(nóng)說。這種多級方法可以優(yōu)化應(yīng)用程序，而不必每次都重寫它。

還可以在不修改原始計(jì)算的情況下以及針對任何所需的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)來優(yōu)化數(shù)據(jù)移動。Hoefler說：“當(dāng)我們針對目標(biāo)架構(gòu)優(yōu)化代碼時，我們只是從性能工程師的角度而不是從程序員的角度（即將科學(xué)問題轉(zhuǎn)化為代碼的研究人員）的角度進(jìn)行更改。” 他說，這導(dǎo)致在計(jì)算機(jī)科學(xué)家和跨學(xué)科程序員之間建立非常簡單的界面。

DaCe OMEN的應(yīng)用表明，在納米晶體管通道的末端附近產(chǎn)生的熱量最多，并揭示了熱量如何從那里擴(kuò)散并影響整個系統(tǒng)?？茖W(xué)家們相信，這種用于模擬此類電子元件的新工藝具有多種潛在應(yīng)用。鋰電池的生產(chǎn)就是一個例子，當(dāng)鋰電池過熱時，這可能會導(dǎo)致一些令人不快的意外。
（責(zé)任編輯：fqj）