电子元件的尺寸通常只有几纳米（十亿分之一米）。例如，根据摩尔定律，晶体管每两年尺寸减半，这正是智能手机芯片能够以纳米尺度容纳20亿个晶体管的唯一可能。微小器件确保智能手机能够跟上不断变化的需求——既是电话和相机，也是高品质摄像机、搜索引擎、个人健康监测器和娱乐设备。与此同时，元件还必须节能运行，并且能够以低成本生产。
然而，电子元件越小，制造难度就越大。相比之下：红细胞直径为7,000纳米，人类头发直径为80,000纳米。因此，利用硅等半导体材料制造尺寸为20纳米及更小的晶体管，不仅是技术上的挑战。物理效应——所谓的量子力学现象——会在纳米尺度上改变材料的性质，这给纳米器件的设计者和工程师在开发与构造过程中带来复杂难题。如今，苏黎世联邦理工学院综合系统实验室教授Mathieu Luisier伸出了援手。
计算机预测
十多年来，Luisier一直在完善一款软件程序，用以模拟未来仅有几纳米大小的晶体管。他得到CSCS超级计算机“Piz Daint”的支持，该计算机有助于预测纳米世界中材料的成分、形态和尺寸发生变化时会出现什么情况。Luisier认为，“Piz Daint”目前是寻找新型理想材料组合时最好、效率最高的模拟机器。这位苏黎世联邦理工学院教授的工作在业界引起了浓厚兴趣，因为这些模拟能够节省开发新型高效电子元件所需的实验时间和成本。
将数十亿个传统晶体管置于一块芯片上的一个问题是，它们会产生大量热量，很容易过热。这是因为电子在穿过晶体管时会释放能量。Luisier及其团队使用软件OMEN——一种所谓的量子模拟器——在原子层面模拟电子输运，以便准确研究其中发生的情况。模拟的晶体管由硅晶体制成的纳米线构成。“电子流经导线时，起初具有恒定的高能量；能量随后逐渐降低，并以所谓声子的形式被硅的晶格吸收，”Luisier解释道。电子与声子的相互作用使晶体升温，而总能量保持不变——研究人员据此确认，他们的模型正确再现了这一过程。现在的目标是根据模拟结果构造晶体管，使电子在传输过程中尽可能少地损失能量。
玩转晶体
一方面，研究人员能够在模拟中“摆弄”晶体内不同晶体层的排列，改变晶体结构，或以其他半导体材料取代硅。另一方面，他们可以检验所模拟晶体的功能和各种性质。例如，研究人员模拟了一根纳米线，其通道被氧化物和金属接触端（栅极）包围。电子发出的声子被有效地“困”在通道中，只能从纳米线的某些位置——起点和终点——离开结构。“如果把导线周围的外壳换成类似希腊字母欧米伽的结构，声子就会有更大的逸出区域，”Luisier说。如果该区域还直接接触冷却段，晶体管的升温程度就会降低。若采用铟镓砷或锗等材料构造半导体，产生的热量也会更少，因为这些材料能让电子移动得更快。不过，它们比硅贵得多。
在模拟过程中，研究人员逐个原子地生成设计好的结构。与用于深入分析材料性质的传统所谓“从头算”（ab initio）方法一样，Luisier团队进行的模拟也会求解薛定谔方程。这使他们能够研究电子与声子如何相互作用。
不过，两者有两个主要区别：从头算方法在封闭或周期性重复的系统中求解电子的波动运动，而Luisier的团队在该方法中加入了开放边界条件，从而能够模拟输运。随后，科学家可以同时观察电子流和热流，并描述它们与周围环境的联系，即电子流与热流之间的相互作用。另一个区别是，OMEN目前的计算基于经验模型，因为从头算仍然过于复杂且需要更多计算资源。
高性能计算
不过，在一项PASC合作项目中，研究人员正与意大利语瑞士大学和洛桑联邦理工学院的科学家共同开发新算法，以提高计算效率。“中期来看，我们希望用从头算模型取代所有经验模型，从而更轻松、更准确地计算由不同材料构成的结构，”Luisier说。“这就是我们需要优化算法和Piz Daint这类机器的原因。”
尽管如此，Luisier强调，据他所知，在电子纳米元件开发领域，他的团队采用的经验方法比以往任何时候都更先进。他所在团队的另一个研究重点是锂离子电池模拟。“如果我们能更准确地了解晶体管或电池中的热量产生过程，就能提出更好的设计方案，”Luisier说。“OMEN是新一代元件模拟器，工程师在其中运用的概念此前从未在材料科学、化学或物理学中使用过。”
本文由以下机构合作发布： 苏黎世联邦理工学院。本文发布并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：Simone Ulmer是苏黎世联邦理工学院的特约撰稿人。
图片：2007年1月9日，台湾积体电路制造股份有限公司（TSMC）在新竹展示一片12英寸晶圆。路透社/Richard Chung。
