Die Energieeffizienz von Mikrochips der nächsten Generation modellieren
EU-finanzierte Wissenschaftler haben Simulationen vom Nanomaßstab bis zur Geräteebene durchgeführt, um den Energieverbrauch von Mikrochips und lichtemittierenden Dioden (LEDs) zu bestimmen, damit der Weg für eine energieeffizientere zukünftige Generation an Elektrogeräten und -beleuchtungen geebnet ist. Da der Datenverkehr im Internet jährlich ein exponentielles Wachstum verzeichnet, wird zunehmend Energie für die Kommunikation via Smartphone, Tablet oder PC verbraucht. Der derzeitige Energieverbrauch in dieser Hinsicht macht schätzungsweise zwischen 5 % und 10 % des weltweiten Stromverbrauchs aus. Bei jeder Suche in einer Internet-Suchmaschine wie Google wird auf ein riesiges Datenzentrum vernetzter Computer zugegriffen. Die Verbindungen und Transistoren in den Mikrochips verbrauchen bereits so viel Energie, dass die Regulierung des durch die Komponenten erzeugten Wärmezustands zu einer großen Entwurfsherausforderung für die Industrie geworden ist. „Das Internet hat bereits damit begonnen, eine nicht nachhaltige globalen Energienachfrage zu stellen, die sich durch die Entwicklung des Internets der Dinge nur noch verschlimmern wird“, sagt Professor Eoin O’Reilly, Projektkoordinator des Projekts DEEPEN (From Atom-to-Device Explicit simulation Environment for Photonics and Electronics Nanostructure). „Falls die Energieeffizienz nicht verbessert wird, lässt sich extrapolieren, dass der Anteil in circa 15 Jahren bei 50 % des gesamten Energieverbrauchs liegt und dies macht einen nicht nachhaltigen Eindruck“, fügt O’Reilly hinzu. Das Projektteam hat zur Modellierung der Energieeffizienz den Energieverbrauch in Mikrochip-Komponenten und LEDs simuliert. Während die Komponenten – mit einer Breite von teilweise nur 50-100 Atomen – jedoch in den Nanobereich schrumpfen, können Simulationen, die herkömmlicherweise von großen oder durchschnittlichen Halbleiter-Material-Merkmalen ausgehen, kein akkurates Modell zum Energieverbrauch liefern. Die DEEPEN-Partner, zu denen Forscher, Software-Entwickler Experten auf dem Gebiet von Simulationen und deren Anwendung auf den Geräteentwurf sowie Partner im Bereich der Herstellungsindustrie wie zum Beispiel Osram in Deutschland, einer der weltweit größten LED-Hersteller, zählen, führten sowohl auf Geräte- als auch auf atomistischer Ebene Simulationen durch, um eine „Bibliothek“ zu den Eigenschaften von Materialien und deren Veränderungen in unterschiedlichen Maßstäben anzulegen. „Das Verhalten im Nanomaßstab wird immer wichtiger, da der Gerätemaßstab kleiner wird“, sagt Prof. O’Reilly vom Tyndall National Institute in Cork, Irland. „Im kleinsten Maßstab lassen sich die elektronischen Eigenschaften sehr genau beschreiben, dies ist jedoch sehr anspruchsvoll im Hinblick auf den Zeitaufwand und den Rechenspeicher.“ Die DEEPEN-Experten arbeiteten über drei Jahre zusammen, um durch unterschiedliche Computersoftware-Codes für verschiedene Probleme und durch die anschließende Verbindung der Codes Multiskalen-Simulationen auszuarbeiten. „In Bezug auf LEDs zeigten unsere Simulationen, dass lokale atomare Effekte für ein Verständnis der Emissionsmerkmale von grünen und blauen LEDs wirklich wichtig sind. Diese lokalen atomaren Effekte sind bei dem Versuch, (die Energieeffizienz) der Bauteile zu modellieren, bislang außer Acht gelassen worden“, sagt Prof. O’Reilly. Mit Transistoren – die Halbleiter-Bauteile in Mikrochips, die elektrische Signale mithilfe von Strom übertragen – wurde bei der Modellierung der Energieeffizienz von Bauteilen herkömmlicherweise von durchschnittlichen Eigenschaften ausgegangen. „Im Zuge unseres Projekts konnten wir erstmals die überaus fortschrittliche Beschreibung der atomaren Eigenschaften der aktiven Zone mit einer Betrachtung des restlichen Bauteils auf höherer Ebene kombinieren“, sagt O’Reilly. Die verbundenen Modelle, die mit Eingaben von anderen Projekten im „European Multiscale Modelling Cluster“ bezüglich der Schaffung neuer Standards und Prozesse für solche Codes erstellt wurden, werden für bessere Entwürfe im Hinblick auf die Bauteilleistung verwendet. „Wir befinden uns jetzt bezüglich der Bereitstellung akkurater Entwurfsrichtlinien für die Halbleiter-Industrie und bezüglich der Unterstützung fortlaufender Forschungsmaßnahmen im Bereich energieeffizienter nanoelektrischer Bauteile in einer weitaus besseren Position“, schlussfolgert Prof. O’Reilly.
Schlüsselbegriffe
DEEPEN, Simulation, Energie, Energieeffizienz, Beleuchtungs-Photonik, Nanotechnologie
