Los científicos del plasma están desarrollando programas informáticos que pueden reducir el coste de los microchips y estimular la fabricación.

Diseñados a partir del mismo elemento que se encuentra en la arena y cubiertos con patrones complejos, los microchips alimentan los teléfonos inteligentes, mejoran los electrodomésticos y ayudan a impulsar automóviles y aviones.

Ahora, los científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. están desarrollando códigos de simulación por computadora que superarán las técnicas de simulación existentes y ayudarán a producir microchips utilizando plasma, un estado de la materia con carga eléctrica que también se utiliza en la investigación de la fusión. .

Estos códigos podrían ayudar a aumentar la eficiencia del proceso de fabricación y potencialmente estimular un renacimiento de la industria de chips de EE. UU.

«Debido a que los dispositivos con microchips son esenciales para nuestra vida diaria, cómo y dónde se fabrican es una cuestión de seguridad nacional», dijo Igor Kaganovich, físico investigador principal que dirige el grupo de modelado de baja temperatura en PPPL.

«Las herramientas de simulación potentes y confiables que pueden predecir con precisión el comportamiento del plasma y acortar el ciclo de fabricación y diseño de chips de silicio pueden ayudar a Estados Unidos a recuperar y mantener su papel de liderazgo en este campo durante décadas».

Agarrar el ritmo

Uno de los esfuerzos de investigación de PPPL implica reducir el tiempo que necesitan las computadoras para simular reactores de plasma con microchips. Esta innovación ayudará a la industria privada a utilizar simulaciones más complejas y precisas a gran escala y ayudará a reducir los costos de los microchips.

«A las empresas les gusta utilizar simulaciones para mejorar sus operaciones, pero suelen ser computacionalmente costosas», dijo el coautor del estudio Andrew Tasman Boyce. papel Informar resultados en Física del plasma e investigador asociado computacional en PPPL. «Estamos haciendo todo lo posible para contrarrestar esta tendencia».

Los físicos normalmente quieren ejecutar simulaciones para reproducir el plasma con la mayor precisión posible, generando imágenes virtuales que revelen las complejidades del comportamiento del plasma con un detalle extremadamente fino. Este proceso requiere algoritmos, programas que siguen una serie de reglas, que simulan plasma en periodos de tiempo muy cortos y en pequeños volúmenes de espacio.

El problema es que simulaciones tan detalladas requieren computadoras potentes que funcionen durante días o semanas seguidas. Este plazo es demasiado largo y costoso para las empresas que desean utilizar simulaciones para mejorar sus procesos de fabricación de microchips.

Los investigadores han profundizado en la historia de la física del plasma para encontrar algoritmos ya desarrollados que puedan acortar la cantidad de tiempo necesaria para simular el plasma en microchips. Los investigadores han encontrado algoritmos adecuados a partir de los años 80; Cuando se probaron, los algoritmos demostraron la capacidad de diseñar sistemas de plasma con microchips en mucho menos tiempo y con poca reducción en la precisión.

En esencia, los investigadores descubrieron que podían obtener buenas simulaciones incluso aunque modelaran partículas de plasma en áreas más grandes y utilizaran incrementos de tiempo más largos.

«Este desarrollo es importante porque puede ahorrar tiempo y dinero a las empresas», dijo Humin Sun, investigador principal del estudio y ex estudiante de posgrado en el Programa de Física del Plasma de la Universidad de Princeton, con sede en PPPL.

«Esto significa que con la misma cantidad de recursos computacionales, se pueden crear más simulaciones. Más simulaciones no sólo permiten encontrar maneras de mejorar la fabricación, sino también aprender más física en general. Podemos hacer más descubrimientos con nuestros recursos limitados. «

Una investigación relacionada realizada por Boyce refuerza esta posibilidad. en papel Publicado en Física del plasmaBoyce afirma que los códigos informáticos pueden generar modelos precisos de partículas de plasma utilizando «células» virtuales o pequeños volúmenes de espacio que exceden la medida estándar en física del plasma conocida como longitud de Debye.

Este desarrollo significa que los códigos pueden utilizar menos celdas y reducir la necesidad de tiempo de computación. «Esta es una buena noticia porque reducir el número de celdas puede reducir el costo computacional de la simulación y, por lo tanto, mejorar el rendimiento», dijo Boyce.

Los algoritmos pueden simular los llamados “reactores de plasma acoplados capacitivos”, que crean el plasma que los ingenieros utilizan para grabar canales estrechos en una oblea de silicio. Estos pequeños pasajes forman los microcircuitos que permiten que el microchip funcione.

«Estamos interesados ​​en modelar este proceso para poder aprender cómo controlar las propiedades del plasma, predecir cómo será en una nueva máquina y luego predecir las propiedades de grabado para que podamos mejorar el proceso», dijo Boyce.

El equipo planea probar más los algoritmos agregando los efectos de diferentes tipos de materiales de pared y electrodos. «Queremos seguir generando confianza en estos algoritmos para poder garantizar que los resultados sean precisos», dijo Boyce.

Reconocer las limitaciones inherentes y superarlas.

Otro esfuerzo de investigación se centra en los errores que pueden aparecer en las simulaciones de plasma debido a las limitaciones inherentes de los propios métodos de simulación, que representan un número menor de partículas de plasma que los plasmas reales.

«Cuando se simula plasma, lo ideal es rastrear cada partícula y saber dónde está en todo momento», dijo Sierra Gobin, estudiante de posgrado en el Programa de Física del Plasma de Princeton y autora principal del artículo. papel Informar resultados en Física del plasma. «Pero no tenemos una potencia informática infinita, por lo que no podemos hacer eso».

Para superar esta dificultad, los investigadores diseñaron un código para representar millones de partículas como una sola partícula. gigante partícula. Hacerlo simplifica la tarea de la computadora, pero también amplifica las interacciones de macromoléculas hipotéticas. Como resultado, el cambio en la proporción de partículas que se mueven a una velocidad versus el número de partículas que se mueven a otra velocidad -un proceso conocido como «transformación térmica»- ocurre más rápidamente que en la naturaleza. Básicamente, la simulación no se corresponde con la realidad.

«Esto es un problema porque si no lo abordamos, no modelaremos los fenómenos tal como ocurren realmente en el mundo», dijo Gobin. «Si quisiéramos saber cuántos electrones que se mueven a una velocidad determinada generan iones o especies químicas reactivas que reaccionan con los materiales utilizados para fabricar microchips, no obtendríamos una imagen precisa».

Para compensar estos errores computacionales, los investigadores descubrieron que podían hacer que el tamaño de las partículas masivas fuera más grande y menos denso, silenciando sus interacciones y ralentizando los cambios en las velocidades de las partículas. «De hecho, estos resultados establecen límites a lo que es posible en las simulaciones de plasma con microchips, señalan las limitaciones que debemos considerar y sugieren algunas soluciones», dijo Gobin.

Los hallazgos de Gobin refuerzan la idea de que es necesario mejorar las técnicas de simulación actuales. Ya sea porque los códigos utilizados hoy en día requieren tamaños pequeños e incrementos de tiempo que en conjunto ralentizan las simulaciones o porque producen errores basados ​​en requisitos computacionales, los científicos necesitan nuevas soluciones. «Este es verdaderamente un cambio de paradigma en este campo, y PPPL está liderando el camino», afirmó Kaganovich.

El equipo incluyó investigadores de la Universidad de Princeton, el Centro Suizo de Plasma de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne, el Instituto Birla de Tecnología y Ciencia de la India, el Instituto Nacional Homi Bhabha de la India, la Universidad de Alberta en Edmonton y Applied Materials, Inc. y China de China. – Instituto Francés de Ingeniería y Tecnología Nuclear.