Efficient Simulation of Gate Leakage Currents in Ultra-scaled Transistors from First Principles
यह शोध पत्र एक विस्तारित क्वांटम ट्रांसमिटिंग बाउंड्री मेथड (QTBM) प्रस्तुत करता है जो ओपन बाउंड्री कंडीशंस और अनस्ट्रक्चर्ड स्पार्स लीनियर सिस्टम्स की चुनौतियों को पार करके अल्ट्रा-स्केल्ड WS-hBN फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर में एब इनिशियो गेट लीकेज करंट की कुशलतापूर्वक गणना करता है, जिससे 25 nm से अधिक गेट लेंथ वाले उपकरणों के लिए अत्याधुनिक तकनीकों से बेहतर प्रदर्शन किया जा सके।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को छोटा और तेज़ बनाने की निरंतर दौड़ में, इंजीनियरों को एक मौलिक भौतिक बाधा का सामना करना पड़ता है: गेट। एक आधुनिक ट्रांजिस्टर में, गेट एक स्विच के रूप में कार्य करता है, जो एक चैनल के माध्यम से बिजली के प्रवाह को नियंत्रित करता है। स्विच को अधिक संवेदनशील और उत्तरदायी बनाने के लिए, इस गेट के नीचे स्थित इन्सुलेटिंग परत (insulating layer) को अविश्वसनीय रूप से पतला बनाया जाना चाहिए। हालाँकि, जब यह परत बहुत पतली हो जाती है, तो इलेक्ट्रॉन टनल (tunnel) करने लगते हैं। स्विच के नियमों का पालन करने और अपने निर्धारित पथ के भीतर रहने के बजाय, वे क्वांटम यांत्रिक रूप से इंसुलेटर के माध्यम से टनल करते हैं और गेट में लीक हो जाते हैं। यह लीकेज ऊर्जा को बर्बाद करता है और गर्मी पैदा करता है, जिससे भविष्य की अल्ट्रा-स्मॉल कंप्यूटर पीढ़ी अक्षम या यहाँ तक कि बेकार भी हो सकती है। बेहतर उपकरण डिजाइन करने के लिए, वैज्ञानिकों को यह सटीक भविष्यवाणी करने में सक्षम होना चाहिए कि कितना करंट लीक होगा, लेकिन अगली पीढ़ी की चिप्स में उपयोग की जाने वाली सूक्ष्म, जटिल सामग्रियों के लिए इसकी गणना करना लंबे समय से एक कम्प्यूटेशनल दुःस्वप्न रहा है।
ETH ज्यूरिख के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब इस समस्या को हल करने का एक नया तरीका विकसित किया है, जिससे उन्हें उन ट्रांजिस्टरों में गेट लीकेज का अनुकरण (simulate) करने की अनुमति मिली है जो पहले की तुलना में बहुत बड़े और अधिक यथार्थवादी हैं। उनका कार्य सामग्रियों के एक 'सैंडविच' से बने एक विशिष्ट प्रकार के भविष्य के ट्रांजिस्टर पर केंद्रित है: टंगस्टन डाइसल्फाइड से बना एक चैनल, हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड की एक इन्सुलेटिंग परत, और प्लैटिनम से बना एक मेटल गेट। इन उपकरणों में, गेट सीधे चैनल के ऊपर स्थित होता है, जिससे एक विशाल क्षेत्र बन जाता है जहाँ से इलेक्ट्रॉन निकल सकते हैं। कंप्यूटर वैज्ञानिकों के लिए चुनौती यह है कि भागने वाले इलेक्ट्रॉनों को ट्रैक करने के लिए आवश्यक गणितीय समीकरण इतने जटिल और असंख्य हो जाते हैं कि मानक सुपरकंप्यूटर गणना पूरी करने से पहले ही समय और मेमोरी समाप्त कर देते हैं, विशेष रूप से तब जब गेट कुछ नैनोमीटर से अधिक लंबा हो।
शोधकर्ताओं ने समस्या के गणित के प्रति अपने दृष्टिकोण को बदलकर इस बाधा को दूर किया, इसे दो प्रबंधनीय भागों में विभाजित किया। सबसे पहले, उन्होंने महसूस किया कि पूरे गेट को एक विशाल, ठोस ब्लॉक के रूप में मानना अनावश्यक और अक्षम था। इसके बजाय, उन्होंने गेट को छोटे, दोहराते हुए इकाइयों (repeating units) में विभाजित किया। केवल एक छोटी इकाई के व्यवहार की गणना करके और फिर इन परिणामों को गणितीय रूप से आपस में जोड़कर, वे पूरी चीज़ के लिए असंभव समीकरणों को हल किए बिना पूरे गेट का मॉडल तैयार कर सकते थे। यह दृष्टिकोण इस तरह है जैसे कोई व्यक्ति पूरी चेन को उठाने के बजाय, एक अकेले लिंक को तौलकर और उसे गुणा करके पूरी चेन का अनुमानित वजन लगा सकता है।
दूसरे, उन्होंने उस अव्यवized, असंरचित डेटा के मुद्दे को संबोधित किया जो तब उत्पन्न होता है जब इलेक्ट्रॉन गेट के साथ परस्पर क्रिया करते हैं। समीकरणों को हल करने के मानक तरीके एक "फिल-इन" प्रभाव पैदा करते हैं, जहाँ कंप्यूटर की मेमोरी अनावश्यक डेटा से भर जाती है, जिससे सब कुछ धीमा हो जाता है। टीम ने एक ऐसी तकनीक पेश की जो गेट के प्रभाव के विवरण को सरल बनाती है, आवश्यक भौतिकी को बरकरार रखते हुए अनावश्यक जानकारी को हटा देती है। इसने उन्हें शेष समीकरणों को हल करने के लिए अधिक कुशल एल्गोरिदम का उपयोग करने की अनुमति दी, जिससे एक ऐसी समस्या जो कंप्यूटिंग समय के घंटों या दिनों की मांग करती थी, मिनटों में हल होने योग्य बन गई।
इस नए तरीके के परिणाम आश्चर्यजनक हैं। शोधकर्ताओं ने 6.4 नैनोमीटर की गेट लंबाई वाले एक ट्रांजिस्टर पर अपने दृष्टिकोण का परीक्षण किया, और अपने सरलीकृत गणनाओं की तुलना एक पूर्ण, कठोर सिमुलेशन से की। परिणाम लगभग पूरी तरह से मेल खाते हैं, जो यह सिद्ध करते हैं कि उनके शॉर्टकट ने सटीकता से समझौता नहीं किया। इस सत्यापन से उत्साहित होकर, उन्होंने अपने सिमुलेशन को 25.6 नैनोमीटर की गेट लंबाई तक पहुँचाया, जो वास्तविक दुनिया के उपकरणों का प्रतिनिधित्व करने वाला आकार है लेकिन पहले इतने विस्तृत स्तर पर इसका अनुकरण करना असंभव था। वे सफलतापूर्वक गणना करने में सफल रहे कि इलेक्ट्रॉन स्रोत और ड्रेन से गेट में कैसे टनल होते हैं, जिससे उन विशिष्ट ऊर्जा स्तरों की पहचान हुई जहाँ लीकेज होने की संभावना सबसे अधिक है।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि अब अल्ट्रा-स्केल्ड ट्रांजिस्टरों में गेट लीकेज का उच्च सटीकता के साथ मॉडल बनाना संभव है, भले ही गेट चैनल के एक महत्वपूर्ण हिस्से तक फैला हो। इन दो गणितीय नवाचारों को जोड़कर, टीम ने उस कम्प्यूटेशनल बाधा को हटा दिया है जिसने पहले ऐसे अध्ययनों को केवल छोटे, कृत्रिम संरचनाओं तक सीमित कर दिया था। यह क्षमता इंजीनियरों के लिए लैब में निर्माण करने से पहले कंप्यूटर पर विभिन्न सामग्रियों और गेट डिजाइनों के संयोजन का परीक्षण करने का द्वार खोलती है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि भविष्य के ट्रांजिस्टर लीकिंग करंट की समस्या का शिकार हुए बिना छोटे और अधिक कुशल बनाए जा सकें।
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