PHYSIQUE DES MATERIAUX ET DES MICROSTRUCTURES Froggy simule

PHYSIQUE DES MATERIAUX ET DES MICROSTRUCTURES Froggy simule déjà la prochaine machine ! Y. M. Niquet, 1 F. Triozon, 2 I. Duchemin 1, D. Rideau 3 1 CEA Grenoble, INAC, SP 2 M/L_Sim, France 2 CEA Grenoble, LETI-MINATEC, France 3 ST Microelectronics, Crolles, France Yann-Michel Niquet

Le transistor MOS Lg I • Principe : – Contrôler le courant I entre le contact « source » et le contact « drain » à l’aide de l’électrode de « grille » . – La grille attire ou repousse les électrons dans le « canal » entre la source et le drain, agissant ainsi sur le courant. • Le transistor MOS transistor fonctionne comme un interrupteur contrôlé par la grille Bit 0/1. • La taille du transistor MOS transistor est caractérisée par sa longueur de grille Lg. Yann-Michel Niquet

Anatomie de la grenouille • Froggy est une grenouille… pas comme les autres… Yann-Michel Niquet

Anatomie de la grenouille • Froggy est une grenouille… pas comme les autres… Intel E 5 -2670 (Sandybridge) 2. 6 Ghz 64 GB RAM Refroidissement par eau GPU Nvidia K 20 Rack Infiniband FDR Système de fichiers LUSTRE Alimentation électrique + Yann-Michel Niquet

Anatomie de la grenouille Yann-Michel Niquet

Anatomie de la grenouille • 136 processeurs Intel Xeon E 5 -2670 @ 2. 26 GHz (Sandy Bridge). Yann-Michel Niquet

Anatomie de la grenouille • 8 cœurs (unités de calcul) par processeur. Yann-Michel Niquet

Anatomie de la grenouille • Environ 2 500 000 transistors/processeur. Yann-Michel Niquet

Contexte • Loi de Moore : Le nombre de transistors sur un processeur double tous les ~1. 5 ans. Source : IMEC • Longueur de grille de la technologie Sandy Bridge d’INTEL (Froggy) : 32 nm. • Longueur de grille de la technologie Ivy Bridge d’INTEL : 22 nm. • Et après ? (16 nm ? 10 nm ? 5 nm ? ) Yann-Michel Niquet

Un vrai challenge pour les matériaux et la technologie Source : Intel • Introduction de nouveau matériaux : Silicium contraint, « High- » , … • Vers le transistor 3 D ! Yann-Michel Niquet

Vers les architectures 3 D Transistor « Tri-gate » 3 D Transistor 2 D Lg • Le contrôle du courant par la grille devient difficile lorsque Lg <20 nm. Yann-Michel Niquet • Meilleur contrôle par la grille (meilleur interrupteur !)

Et à Grenoble ? • ST Microelectronics est lui aussi engagé dans cette course, en particulier sur le segment de la téléphonie mobile (processeurs ARM basse consommation & RF). Yann-Michel Niquet

Pour résumer… Transistor 2 D Transistor « Tri gate » I Lg 10 nm • Tendances CMOS : Améliorer performances et intégration des dispositifs en diminuant la longueur de grille Lg (~20 nm aujourd’hui). Ø Changement de dimensionnalité : Transistor « Bulk » FDSOI (films) Trigate (fils) Corrections quantiques Ø Introduction de nouveaux matériaux : – Oxydes « high- » Hf. O 2… – Canaux Si. Ge, III-V, Mo. S 2… • Nouveaux paradigmes : Electronique de spin, électronique moléculaire… Yann-Michel Niquet

Défis Transistor 2 D Transistor « Tri gate » I Lg 10 nm • Défis : Ø Technologiques : Synthèse et procédés matériaux. Caractérisation. Ø Conceptuels : Physique de plus en plus complexe, non classique. Beaucoup de questions restent ouvertes. Yann-Michel Niquet

Enjeux pour la simulation Transistor 2 D Transistor « Tri gate » I Lg 10 nm • Enjeux : La modélisation doit permettre de : Ø Comprendre/anticiper la physique des dispositifs. Ø Faire le tri parmi les options architectures/matériaux. Ø Optimiser les dispositifs. • « Caractérisation par la simulation » … Yann-Michel Niquet

Problématiques • La simulation n’est plus suffisamment quantitative pour être emmenée sur des terrains peu ou pas explorés. Yann-Michel Niquet

Problématiques • La simulation n’est plus suffisamment quantitative pour être emmenée sur des terrains peu ou pas explorés. Vg I Vds Yann-Michel Niquet

Problématiques • La simulation n’est plus suffisamment quantitative pour être emmenée sur des terrains peu ou pas explorés. ––– Yann-Michel Niquet Exp. (Uchida 2002)

Problématiques • La simulation n’est plus suffisamment quantitative pour être emmenée sur des terrains peu ou pas explorés. ––– Exp. (Uchida 2002) « Kubo Greenwood » • Les méthodes « semi-classiques » , calibrées à t = 7 nm, sont incapables de rendre compte des tendances pour t = 4 nm et t = 2. 6 nm. Yann-Michel Niquet

Solutions • Développer un code : – Basé sur la mécanique quantique. – Capable de décrire des matériaux complexes. – « Multi-échelles » : Description milieux continus/atomistique. Yann-Michel Niquet

Le code Ab-initio data Structural properties (geometry optimization, symmetries. . . ) Optical properties (oscillator strengths, polarizations, . . . ) 3 D Poisson solvers Tight-binding and k. p hamiltonians Transport properties (Kubo, Landauer, NEGF) Self-consistency • Code liaisons fortes/k. p développé au CEA Grenoble. • Couplé aux codes ab initio ( ). • Adapté aux infrastructures de calcul hautes performances. Yann-Michel Niquet

Prix Bull Fourier 2012 Simulation des propriétés électriques des transistors de prochaine génération sur GPU (code « TB_Sim » ) QUASANOVA Y. M. Niquet (CEA/INAC), F. Triozon (CEA/LETI) & C. Delerue (CNRS/IEMN Dept ISEN) Grille Source Nanofil Si Ids Yann-Michel Niquet Drain

Mobilité dans les films de Si • « Fonctions de Green hors-équilibre » pour le transport quantique. ––– Exp. (Uchida 2002) « Kubo Greenwood » Yann-Michel Niquet

Mobilité dans les films de Si • « Fonctions de Green hors-équilibre » pour le transport quantique. ––– Exp. (Uchida 2002) « Kubo Greenwood » – – NEGF • Les fonctions de Green reproduisent les tendances pour t arbitraire, à l’inverse des méthodes semi-classiques. Yann-Michel Niquet

Mobilité dans les films de Si • « Fonctions de Green hors-équilibre » pour le transport quantique. Si. O 2 Oxyde Si. O 2 Yann-Michel Niquet

Mobilité dans les films de Si • « Fonctions de Green hors-équilibre » pour le transport quantique. Hf. O 2 Si. O 2 -20/30% mobilité ! Oxyde Si. O 2/Hf. O 2 • Physique encore largement controversée… Ø Modélisation en cours avec ST Microelectronics (ANR Quasanova)… et des résultats probants! Yann-Michel Niquet

Conclusions • Les outils type TB_Sim ont montré leur potentiel et sont destinés à intégrer la chaîne de simulation en microélectronique : Simulation transport quantique Simulation matériaux ab initio TCAD Simulation semiclassique • Ils nécessitent des moyens de calculs adaptés tels que ceux de la plateforme CIMENT. L’accès à des moyens de calcul hautes performances représente un enjeu stratégique pour la recherche scientifique. – Environ 850 000 h de calcul sur Froggy (1024 à 2048 cœurs). – Accès GENCI/PRACE. Yann-Michel Niquet