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蘇黎世聯邦理工學院的兩個研究小組開發了一種方法，可以逼真，快速，高效地模擬納米電子器件及其性能。這給行業和數據中心運營商都帶來了一線希望，這兩家公司都在為越來越小且功能強大的晶體管帶來的（過熱）苦苦掙扎。

芯片制造商已經在組裝尺寸僅為幾納米的晶體管。它們比人的頭發要小得多，在細的情況下，人的頭發的直徑約為20,000納米。現在，對功能越來越強大的超級計算機的需求正在推動行業開發更小，同時功能更強大的組件。

但是，除了物理規律使制造超大規模晶體管變得更加困難之外，不斷增加的散熱問題還是制造商處于棘手的狀況-部分原因是冷卻需求的急劇上升以及由此產生的能源需求。由ETH教授Torsten Hoefler和Mathieu Luisier領導的研究小組在最近的研究中報告說，為某些數據中心冷卻計算機已經占到了40％的功耗。他們希望這將允許開發一種更好的方法。通過他們的研究，研究人員獲得了ACM Gordon Bell獎，這是超級計算機領域最負盛名的獎，該獎每年在美國SC超級計算會議上頒發。

為了提高當今的納米晶體管的效率，蘇黎世聯邦理工學院集成系統實驗室（IIS）的Luisier領導的研究小組使用名為OMEN的軟件對晶體管進行了仿真，該軟件被稱為量子傳輸模擬器。

OMEN根據所謂的密度泛函理論進行計算，從而可以在原子分辨率和量子力學水平上對晶體管進行逼真的仿真。該仿真可視化了電流如何流過納米晶體管以及電子如何與晶體振動相互作用，從而使研究人員能夠精確地識別產生熱量的位置。反過來，OMEN還提供了關于仍有改進空間的有用線索。

直到現在，傳統的編程方法和超級計算機只允許研究人員模擬由大約1000個原子組成的晶體管的散熱，因為處理器之間的數據通信和內存需求使得無法對大型物體進行逼真的模擬。

大多數計算機程序不會將大部分時間花費在執行計算操作上，而是在處理器，主存儲器和外部接口之間移動數據。根據科學家的說法，OMEN也遭受了明顯的溝通瓶頸，從而降低了性能。Luisier說：“該軟件已經在半導體行業中使用，但是在數值算法和并行化方面還有很大的改進空間。”

到目前為止，如Luisier所解釋的那樣，OMEN的并行化是根據電熱問題的物理原理設計的。現在，博士 學生Alexandros Ziogas和博士后Tal Ben-Nun（在蘇黎世聯邦理工學院可擴展并行計算實驗室負責人Hoefler的領導下工作）沒有研究物理，而是研究數據之間的依賴性。他們根據這些依賴關系有效地重新組織了計算操作，而無需考慮底層物理原理。在優化代碼方面，他們得到了世界上最強大的兩臺超級計算機的幫助：瑞士國家超級計算中心（CSCS）的“ Piz Daint”和美國橡樹嶺國家實驗室的“ Summit”。世界上最快的超級計算機。根據研究人員，

據報道，DaCe OMEN首次使研究人員能夠在相同數量的處理器上進行十倍大小，由10,000個原子組成的晶體管的逼真的仿真，并且比原始方法快14倍。 1000個原子 總體而言，DaCe OMEN比OMEN的效率高出兩個數量級：在Summit上，可以仿真速度高達140倍的逼真的晶體管，并具有每秒85.45 petaflops的持續性能，這確實可以做到。因此在4,560個計算機節點上具有雙精度。計算速度的極大提高為研究人員贏得了戈登·貝爾獎。

科學家通過應用由Hoefler研究小組開發的以數據為中心的并行編程（DAPP）原理實現了這一優化。在此，目的是最小化數據傳輸以及因此處理器之間的通信。“這種類型的程序設計使我們不僅可以非常準確地確定在程序的各個級別上可以改進這種通信的地方，還可以確定如何在單個狀態的計算范圍內調整特定的計算密集型部分，即計算內核。 ，”本農說。這種多級方法可以優化應用程序，而不必每次都重寫它。

還可以在不修改原始計算的情況下以及針對任何所需的計算機體系結構來優化數據移動。Hoefler說：“當我們針對目標架構優化代碼時，我們只是從性能工程師的角度而不是從程序員的角度（即將科學問題轉化為代碼的研究人員）的角度進行更改。” 他說，這導致在計算機科學家和跨學科程序員之間建立非常簡單的界面。

DaCe OMEN的應用表明，在納米晶體管通道的末端附近產生的熱量最多，并揭示了熱量如何從那里擴散并影響整個系統。科學家們相信，這種用于模擬此類電子元件的新工藝具有多種潛在應用。鋰電池的生產就是一個例子，當鋰電池過熱時，這可能會導致一些令人不快的意外。
（責任編輯：fqj）