Modelowanie sprawności energetycznej mikroprocesorów nowej generacji
W celu określenia zużycia energii przez mikroprocesory i diody elektroluminescencyjne (LED) finansowani ze środków UE naukowcy przeprowadzili symulacje na poziomie od nano- do makroskali. Pozwoli to w przyszłości produkować bardziej energooszczędne oświetlenie i urządzenia elektroniczne. Ponieważ ilość danych przesłanych przez Internet stale rośnie, komunikacja poprzez smartfony, tablety czy komputery wymaga coraz więcej energii. Szacuje się, że obecne zużycie energii przez te urządzenia wynosi 5 do 10% zużycia na całym świecie. Każde zapytanie wysłane przez wyszukiwarkę internetową, np. Google, wymaga dostępu do olbrzymiej ilości danych zapisanych na podłączonych do sieci komputerach. Złącza i tranzystory na mikroprocesorach już zużywają tyle energii, że zarządzanie ilością generowanego przez nie ciepła jest najpoważniejszym problemem projektowym, z jakim obecnie mierzy się branża. „Internet dopiero zaczyna destabilizować globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną, zaś wraz z rozwojem koncepcji IoT sytuacja ta będzie się pogarszać” – mówi profesor Eoin O’Reilly, koordynator projektu DEEPEN (From Atom-to-Device Explicit simulation Environment for Photonics and Electronics Nanostructure). „Jeśli nie poprawimy sprawności energetycznej, można założyć, że za powiedzmy 15 lat Internet będzie zużywać niemal 50% dostępnej energii, co grozi brakiem zrównoważenia” – dodaje. Celem opracowania modelu sprawności energetycznej zespół przeprowadził symulacje zużycia energii przez podzespoły mikroprocesorów i diody LED. Ponieważ jednak podzespoły te są coraz bardziej mikroskopijne – czasem mają zaledwie od 50 do 100 atomów szerokości – symulacje zwykle używane do oceny właściwości średnich i masowych materiałów półprzewodnikowych nie są w stanie dostarczyć wiarygodnego modelu zużycia energii. Partnerzy projektu DEEPEN, w tym naukowcy, programiści, eksperci w zakresie symulacji i jej zastosowań w projektowaniu urządzeń, jak również partnerzy przemysłowi, jak niemiecka firma Osram, największy na świecie producent oświetlenia LED, przeprowadzili symulacje zarówno na poziomie urządzenia, jak i na poziomie atomowym i stworzyli „bibliotekę” właściwości materiałów oraz ich zmian w różnych skalach. „Coraz ważniejsze jest dla nas zachowanie materiałów w nanoskali, ponieważ kolejne generacje urządzeń są coraz mniejsze” – mówi prof. O’Reilly, z Tyndall National Institute (http://www.tyndall.ie/) w Cork w Irlandii. „Da się precyzyjnie opisać właściwości elektroniczne materiałów nawet w najmniejszej skali, jednak wymaga to dużych nakładów czasu i olbrzymiej mocy obliczeniowej”. Z tego powodu opracowanie wieloskalowych symulacji wykorzystujących różnorodne kody programistyczne do rozwiązania różnych problemów, a następnie powiązanie tych kodów ze sobą zajęło ekspertom zaangażowanym w projekt DEEPEN ponad trzy lata. „W przypadku oświetlenia LED nasze symulacje wykazały, że lokalne zjawiska atomowe są niezwykle istotne dla zrozumienia charakterystyki emisji światła przez zielone i niebieskie diody LED. Do tej pory zjawiska te były pomijane podczas prób modelowania (sprawności energetycznej) urządzeń” – wyjaśnia prof. O’Reilly W przypadku tranzystorów – umieszczanych na mikroprocesorach półprzewodników służących do przesyłania sygnałów elektrycznych z wykorzystaniem energii elektrycznej – tradycyjne modele sprawności energetycznej zakładają, że podzespoły te mają średnie właściwości. „Jednak w ramach naszego projektu po raz pierwszy udało się powiązać niezwykle dokładny opis właściwości atomowych aktywnego obszaru z poziomem obróbki pozostałych elementów urządzenia” – mówi. Powiązane modele, oparte na danych z innych projektów prowadzonych w ramach inicjatywy European Multiscale Modelling Cluster mającej na celu stworzenie nowych standardów i procesów kodowania, zostaną wykorzystane do zwiększenia możliwości w zakresie projektowania urządzeń. „Obecnie mamy o wiele lepszą możliwość opracowania dokładnych standardów dotyczących projektowania dla branży półprzewodników oraz wsparcia prowadzonych obecnie badań nad sprawnością energetyczną urządzeń nanoelektronicznych” – podsumowuje prof. O’Reilly.
Słowa kluczowe
DEEPEN, symulacja, energia, sprawność energetyczna, fotonika oświetleniowa, nanotechnologia
