Neue Rechenmethode überwindet Hindernisse bei der phononenbasierten Wärmesimulation

Da elektronische Geräte immer kleiner werden, wird das Wärmemanagement im Nanomaßstab zu einer Herausforderung, insbesondere bei Geräten im Submikrometerbereich. Herkömmliche Wärmeleitungsmodelle können das komplexe Verhalten der Wärmeübertragung in diesem Maßstab nicht erfassen, wo Phononen – Schwingungsenergieträger in der Gitterstruktur – dominieren.

Insbesondere müssen bei der phononenbasierten Wärmesimulation zwei wesentliche Hindernisse bewältigt werden. Das eine ist die Abhängigkeit von empirischen Parametern, die die Anpassbarkeit des Modells an verschiedene Materialien begrenzt, und das andere sind die enormen Rechenressourcen, die für dreidimensionale (3D) Simulationen erforderlich sind.

In einer Studie, die von einem Forscherteam der Shanghai Jiaotong University unter der Leitung des Thermophysikprofessors Hua Bao veröffentlicht wurde, wird eine neuartige Rechenmethode vorgestellt, die diese Herausforderungen angeht. Die Arbeit ist veröffentlicht im Journal Grundlagenforschung.

„Wenn die Gerätegröße auf Größen schrumpft, die mit der mittleren freien Weglänge von Phononen vergleichbar sind, gilt das klassische Fourier-Gesetz nicht mehr“, erklärt Bao. „Um die Wärmeleitung genau zu modellieren, müssen wir die Phonon-Boltzmann-Transportgleichung (BTE) verwenden. Allerdings war es eine Herausforderung, diese Gleichung für 3D-Strukturen effizient zu lösen.“

Durch die Anwendung von Fermis goldener Regel zur präzisen Berechnung der erforderlichen Parameter aus ersten Prinzipien konnte das Team jedoch erfolgreich auf empirische Parameter verzichten. Dieser Durchbruch ermöglicht die Anwendung des Modells auf eine breite Palette von Materialien bei gleichzeitiger Beibehaltung einer hohen Genauigkeit.

Darüber hinaus steigert die Einführung moderner numerischer Algorithmen die Effizienz der Simulation erheblich. Ein 3D-FinFET-Gerät mit 13 Millionen Freiheitsgraden beispielsweise, das früher Hunderte von CPU-Kernen über mehrere Stunden hinweg erfordert hätte, kann jetzt auf einem normalen Desktop-Computer in weniger als zwei Stunden simuliert werden.

„Unsere Methode reduziert nicht nur die Rechenkosten, sondern ermöglicht auch genaue thermische Simulationen für komplexe Strukturen im Nanobereich und liefert wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung von Materialien mit spezifischen thermischen Eigenschaften und die genaue Auflösung von Temperaturprofilen auf Transistorebene“, sagt Bao.

Zusätzlich zu den algorithmischen Verbesserungen entwickelte das Team GiftBTE, eine Open-Source-Softwareplattform, die weitere Fortschritte bei der Wärmeübertragungssimulation im Submikrometerbereich ermöglichen soll. Die Forscher hoffen, dass ihr Ansatz den Weg für zukünftige Studien und reale Anwendungen in der Nanoelektronik und Thermophysik ebnen wird.

„Wir glauben, dass unsere Arbeit andere Wissenschaftler dazu ermutigen wird, neue Anwendungen für BTE-basierte Simulationen zu erkunden, insbesondere in komplexen multiphysikalischen Szenarien wie der elektrothermischen Kopplung in Geräten“, fügt Bao hinzu.