Novo método computacional aborda obstáculos na simulação de calor baseada em fônons

À medida que os dispositivos eletrônicos se tornam cada vez mais miniaturizados, o gerenciamento de calor na nanoescala surge como um desafio, especialmente para dispositivos que operam em submícrons. Os modelos tradicionais de condução de calor falham em capturar o comportamento complexo da transferência térmica nessa escala, onde os fônons — portadores de energia vibracional na estrutura de rede — dominam.

Em explicit, existem dois obstáculos principais a serem enfrentados no aquecimento baseado em fônons simulação. Uma é a dependência de parâmetros empíricos, o que limita a adaptabilidade do modelo em diferentes materiais, enquanto a outra são os enormes recursos computacionais necessários para simulações tridimensionais (3D).

Em um estudo publicado por uma equipe de pesquisadores da Shanghai Jiaotong College, liderada pelo professor de termofísica Hua Bao, um novo método computacional que aborda esses desafios é relatado. O trabalho é publicado no diário Pesquisa Elementary.

“Quando os tamanhos dos dispositivos encolhem para escalas comparáveis ​​ao caminho livre médio do fônon, a lei clássica de Fourier não se aplica mais”, explica Bao. “Para modelar a condução de calor com precisão, precisamos usar a equação de transporte de Boltzmann (BTE) do fônon. Dito isso, resolver essa equação de forma eficiente para estruturas 3D tem sido um desafio.”

No entanto, ao aplicar a regra de ouro de Fermi para calcular precisamente os parâmetros necessários a partir dos primeiros princípios, a equipe eliminou com sucesso a necessidade de parâmetros empíricos. Esse avanço permite que o modelo seja aplicado em uma ampla gama de materiais, mantendo alta precisão.

Além disso, a introdução de algoritmos numéricos avançados aumenta dramaticamente a eficiência da simulação. Por exemplo, um dispositivo FinFET 3D com 13 milhões de graus de liberdade, que antes exigiria centenas de núcleos de CPU ao longo de várias horas, agora pode ser simulado em menos de duas horas em um computador desktop comum.

“Nosso método não apenas reduz os custos computacionais, mas também permite simulações térmicas precisas para estruturas complexas em nanoescala, fornecendo insights essenciais para projetar materiais com propriedades térmicas específicas e resolver com precisão perfis de temperatura no nível do transistor”, diz Bao.

Além das melhorias algorítmicas, a equipe desenvolveu o GiftBTE, uma plataforma de software program de código aberto projetada para facilitar avanços adicionais na simulação de transferência de calor submicrométrica. Os pesquisadores esperam que sua abordagem abra caminho para estudos futuros e aplicações do mundo actual em nanoeletrônica e termofísica.

“Acreditamos que nosso trabalho incentivará outros cientistas a explorar novas aplicações para simulações baseadas em BTE, particularmente em cenários multifísicos complexos, como acoplamento eletrotérmico em dispositivos”, acrescenta Bao.