Preview

Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники

Расширенный поиск
Том 22, № 4 (2019)
https://doi.org/10.17073/1609-3577-2019-4

Математическое моделирование в материаловедении электронных компонентов

241-245 99
Аннотация
В работе исследовались тепловые характеристики плоских нагревателей, изготовленных из алюминия с ленточным элементом нагрева в виде углеродного волокна. С целью обеспечения необходимой изоляции нагревательного элемента от металлического основания на поверхности алюминия формировали слой пористого анодного оксида алюминия толщиной 20 мкм. Концы нити из углеродного волокна металлизировались слоем меди для последующей пайки в процессе сборки электрического нагревателя. Электрический нагреватель с нитью из углеродного волокна имел электрическое сопротивление 60 Ом. Исследования распространения тепловых потоков в объеме платы из алюминия с нанопористым оксидом алюминия проводились с использованием тепловизионных измерений. В работе представлена зависимость изменения температуры на поверхности крышки нагревательного элемента из алюминия и на противоположной - теплоотдающей стороне со временем нагрева.  Полученные результаты показали, что тепло, генерируемое линейным нагревательным элементом из углеродной нити, быстро перераспределятся по всему объему алюминиевой пластины нагревательного элемента. Это свидетельствует о высокой теплопроводности алюминиевой основы нагревателя, параметры которой позволяют обеспечить достижение требуемых тепловых характеристик нагревателя.
246-252 86
Аннотация
Рассмотрены модели, которые описывают биполярные резистивные переключения в планарных микроструктурах, созданных на основе оксидных соединений (Bi2Sr2CaCu2O8+x, Nd2‑xCexCuO4‑y) и селенида висмута. Исследовались меристорные гетероструктуры металл–изолятор–металл планарого типа, в которых микроразмер формируются электродом, диаметр которого значительно меньше общего размера структуры (это могут быть и микроконтакты шарвинского типа и пленочные электрические электроды). Другой важной особенностью этих гетероструктур является наличие поверхностного слоя толщиной несколько десятков нанометров с удельной проводимостью, значительно пониженной относительно объемной. Изменение резистивных свойств подобных гетероструктур обуславливается формированием или разрушением проводящего канала через указанный слой. Численное моделирование показало, что при этом на биполярные резистивные переключения значительное влияние оказывает топология распределения электрического поля. Для описания экспериментально наблюдаемых мемристорных эффектов в исследуемых гетероструктурах предложена модель «критического поля». В этой модели предполагается, что изменение удельной проводимости происходит в тех частях поверхностного слоя, где напряженность электрического поля превышает некоторое критическое значение. Модель «критического поля» основана на численном расчете распределения электрического потенциала по распределению удельной проводимости в структуре. Кроме того, рассмотрена модель позволяющая проанализировать влияние электродиффузии ионов кислорода на резистивные переключения в гетероструктурах на основе Bi2Sr2CaCu2O8+x. При численной реализации моделей использовалось сочетание интегро-разностной аппроксимации дифференциальных уравнений, многосеточного подхода для локализации неоднородностей физических характеристик, итерационного метода декомпозиции и составных адаптивных сеток. Это позволило с необходимой точностью отслеживать исследуемые процессы. Приведено сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными.
253-261 196
Аннотация

Представлен общий комплекс идей, связанных с моделированием мемристоров. Мемристор рассматривается частично упорядоченная физико-химическая система, находящаяся с точки зрения нелинейной динамики в пределах «края хаоса». Логико-историческая взаимосвязь физики мемристоров, нелинейной динамики и нейроморфных систем иллюстрируется в виде схемы. Нелинейность разделена нами на внешнюю, когда описывается поведение электрической цепи, содержащей мемристор, и внутреннюю, обусловленную процессами в объеме филамента. В рамках имитационного моделирования обращается внимание на коннекционистский подход, известный в теории нейронных сетей, но применимый для описания эволюции филамента как динамики сети ловушек, связанных электрически и квантово-механически. Состояние каждой ловушки дискретно, а сама она называется «осциллятором». Указывается на прикладное значение теории решеток связанных осцилляторов. Протекание через филамент тока большой плотности может приводить к необходимости учета и дискретных процессов (генерация ловушек), и непрерывных процессов (введение в модель элементов зонной теории твердого тела).

Тем не менее, далее развивается компактная модель, в которой состояние такой сети агрегировано до трех фазовых переменных: длина филамента, его суммарный заряд и локальная температура. Несмотря на кажущийся физический смысл, все переменные имеют формальный характер, присущий обычно параметрам компактных моделей. Модель состоит из одного алгебраического уравнения, двух дифференциальных и одного уравнения интегральной связи и наследована из простейшей модели Струкова. Поэтому в ней используется подход функции окна. Указывается, что по теореме Пуанкаре-Бендиксона, этого достаточно для объяснения нестабильности четырех ключевых параметров (напряжений переключения и сопротивлений) при циклировании мемристора. На небольшой выборке экспериментальных данных проанализированы Фурье-спектры временного ряда данных параметров. Данные относятся к структуре TiN/HfOx/Pt (0<x<2). Предварительный вывод, требующий дальнейшей проверки, заключается в преобладании низких частот и стохастичности появления частот.
262-267 64
Аннотация

В статье рассматриваются вопросы применения гибридных высокопроизводительных комплексов для исполнения программных систем, предназначенных для расчета электронной структуры и моделирования материалов на атомном уровне. Современные программные системы, предназначенные для решения задач материаловедения используют для увеличения производительности возможности различных аппаратных ускорителей вычислений. Использование таких вычислительных технологий требуют адаптации программного кода приложений к гибридным вычислительным архитектурам, включающим в себя классические центральные процессоры (CPU) и специализированные графические ускорители (GPU).

Применение крупных вычислительных гибридных комплексов требует разработки методов обеспечения загрузки таких вычислительных комплексов, которые позволят эффективно использовать вычислительные ресурсы и избегать простоя оборудования. В первую очередь данные методы должны позволять обеспечивать параллельное выполнение пользовательских приложений, использующих ускорители вычислений. Однако, на практике программные среды, предназначенные для решения прикладных задач не могут быть развернуты в одной вычислительной среде из-за несовместимости программного обеспечения. С целью преодоления этого ограничения и обеспечения параллельного выполнения разнотипных задач материаловедения создание индивидуальных сред исполнения заданий на основе технологий виртуализации и облачных технологий.

Развитием технологий виртуализации и предоставления облачных сервисов является построение цифровых платформ. В статье предлагается использование цифровой платформы для размещения научных сервисов материаловедения, которые обеспечивают расчеты с использованием различных прикладных программных систем. Цифровые платформы позволяют предоставить единый интерфейс пользователей к научным сервисам материаловедения. Платформа предоставляет возможности по поиску необходимых научных сервисов, передаче исходных данных и результатов между пользователями, платформой и гибридными высокопроизводительными комплексами.
268-271 73
Аннотация
Данные о структуре и свойствах материалов особенно важны при работе с объектами микро- и наноразмеров из-за высокой сложности их получения. Это делает актуальным применение компьютерного моделирования для прогнозирования требуемых характеристик материалов. Электронные, магнитные, механические и другие свойства кристаллических веществ обусловлены особенностью их строения –периодичностью решетки и симметрией элементарной ячейки. В данной статье рассмотрены оксиды металлов с общими химическими формулами MeO (металлы: Ca, Cd, Mg), MeO2 (металлы: Hf, Ce, Zr), Me2O3 (металлы: Er, Nd, Sc, Mn, Tl) и Ме3О4 (на примере Fe) и кристаллической решеткой кубического типа симметрии – структурные типы NaCl (каменная соль), Fluorite (флюорит), Bixbyite (биксбиит), Spinel (шпинель) соответственно. В работе приводится описание модели ионно-атомных радиусов, которая широко применяется при моделировании кристаллических оксидов металлов. Показано применение алгоритма имитации отжига для вычисления метрических параметров рассматриваемых соединений. Представленная в работе программная реализация алгоритма позволяет по заданным химической формуле и пространственной группе симметрии определить координаты атомов, входящих в элементарную ячейку кристаллической решетки вычислить постояную решетки и плотность упаковки атомов в ячейке кристалла. Перечисленные структурные характеристики могут быть использованы как входные параметры при определении электронных, магнитных и других свойств. В статье приведено сравнение значений постоянных решетки, полученных в результате моделирования, с экспериментальными данными.
272-278 72
Аннотация

Присущее мемристорным кроссбарам свойство естественной параллелизации матрично-векторных операций создает возможности для их эффективного использования в нейросетевых вычислениях. Аналоговые вычисления производятся на порядки быстрее по сравнению с вычислениями на центральном процессоре и на графических ускорителях. Кроме того, существенно ниже энергозатраты на проведение математических операций. При этом существенной особенностью аналоговых вычислений является небольшая точность. В связи с этим актуальным является исследование зависимости качества работы нейронной сети от точности задания её весов. В работе рассмотрены две свёрточные нейронные сети, обученные на наборах данных MNIST (рукописные цифры) и CIFAR_10 (самолеты, лодки, машины и тд.). Первая состоит из двух сверточных слоев, одного слоя подвыборки и двух полносвязанных слоев, а вторая из четырех сверточных слоев, двух слоев подвыборки и двух полносвязаных слоев. Вычисления в сверточных и полносвязных слоях выполняются через матрично-векторные операции, которые эффективно реализуются на мемристорных кроссбарах. Слои подвыборки подразумевают операцию нахождения максимального значения из нескольких, которая также может быть реализована на аналоговом уровне. Процесс обучения нейронной сети происходит отдельно от анализа данных. Как правило, на этапе обучения используются градиентные методы оптимизации, реализацию которых целесообразно выполнять на центральном процессоре. Показано, что для получения приемлемого качества распознавания в случае с сетью, обученной на MNIST, требуется 3-4 бита точности при задании её весов, а в случае с сетью, обученной на  CIFAR_10, требуется 6-8 бит.

279-289 82
Аннотация
В статье делается обзор основных используемых в настоящее время моделей формирования фоторезистивной маски и задач, в которых они применяются. Кратко рассмотрены этапы «полного» моделирования формирования маски, основанного на физико-химических принципах, в случае как традиционных НХД-фоторезистов, так и фоторезистов с химическим усилением. Рассмотрена концепция основных применяемых в настоящее время компактных моделей, предсказывающих контур фоторезистивной маски для полноразмерной топологии изделия, а именно, моделей VT5 и CM1. Приводятся примеры некоторых расчетов с использованием как полного моделирования формирования маски, так и компактных моделей. При помощи полного моделирования формирования фоторезистивной маски был оптимизирован литографический стек для перспективного технологического процесса. Найдены оптимальные соотношения толщин для бинарного антиотражающего слоя, применяемого в литографическом процессе с водной иммерсией. При калибровке компактной модели VT5 решена задача определения оптимальной выборки калибровочных структур, максимально охватывающих  пространство параметров оптического изображения, используя при этом минимальное количество структур. Для решения указанной задачи использовался кластерный анализ. Кластеризация проводилась методом k-средних. Оптимальный размер выборки составил от 300 до 350 структур, среднеквадратичная ошибка при этом составляет 1,4 нм, что незначительно превышает шум технологического процесса для 100 нм структур. Использование СЭМ-контуров при калибровке модели VT5 позволяет снизить среднеквадратическую ошибку по 40 структурам до 1,18 нм.
290-297 24
Аннотация
Методом неравновесных функций Грина  промоделирован магнитотранспорт в двух субмикронных устройствах, сформированных на основе структур GaAs/AlGaAs. В одночастичном приближении  рассмотрено влияние перпендикулярного магнитного поля на квантовый  транспорт в  квазиодномерной квантовой точке и в интерферометре Ааронова-Бома.  Численным расчетом найдены магнитополевые осцилляции двухтерминального контактанса устройств,  распределения  равновесных  (персистентных) токов и магнитный момент, генерируемый в этих устройствах персистентными токами. Прослежены корреляции между магнитным моментом,  магнитополевыми осцилляциями кондактанса и  резонансами по энергии в заданном магнитном поле. Для квазиодномерной квантовой точки в диапазоне низких магнитных полей (0.05T–0.4T) обнаружены более или менее регулярные осцилляции кондактанса, подобные осцилляциям Ааронова-Бома. В случае кольцевого интерферометра вклад в полный равновесный ток и магнитный момент при заданной энергии может резко меняться как по величине, так и по знаку при изменении магнитного поля в пределах одной осцилляции Ааронова-Бома. Показано, что кондактанс  интерферометра определяется скорее не числом распространяющихся в кольце мод, а  влиянием треугольных квантовых точек на входах в кольцо, вызывающих сильное отражение. Период вычисленных  осцилляций Ааронова-Бома соответствует измеренным для этих устройств.

Общие вопросы

298-301 65
Аннотация
В современном мире знания и высокие технологии определяют эффективность экономики, позволяют кардинально повысить качество жизни людей, модернизировать инфраструктуру и государственное управление, обеспечить правопорядок и безопасность.  Создание исследовательской инфраструктуры, базирующейся на высокопроизводительном гибридном кластере, позволило проводить детальные расчеты сложных явлений и процессов без натурных экспериментов. Стало возможным наиболее результативно применять современные методы  многомасштабного компьютерного  моделирования  при разработке прототипов  новых материалов с заданными свойствами для их дальнейшего синтеза. Такие подходы позволяют существенно удешевить и ускорить процессы разработки современных технологий получения новых полупроводниковых материалов для наноэлектроники, композитных материалов для авиационно-космической  отрасли и других. Так использование методов многомасштабного моделирования в сочетании с применением высокопроизводительных программных средств позволило создать компьютерную модель наноразмерной гетероструктуры, разработать   средства для предсказательного компьютерного моделирования физической структуры приборов наноэлектроники, нейроморфной архитектуры многоуровневых устройств памяти и изучать процессы  дефектообразования в композитных материалах.
302-307 82
Аннотация

В работе рассматриваются методы консолидации научных сервисов цифровой платформы для интеграции совокупности научных услуг из различных областей науки для проведения междисциплинарных исследований. Решения для создания консолидированных сервисов могут найти широкое применения для многоуровневого, многомасштабного моделирования в области материаловедения, предусматривающего комплексное моделирование на нескольких уровнях иерархии. В настоящее время эта задача решается созданием многокомпонентных иерархических программных комплексов на корпоративных вычислительных средствах. С появлением высокопроизводительных облачных вычислительных платформ появится возможность получать услуги по решению частных задач моделирования в виде научных сервисов. Задачи комплексного иерархического моделирования в этом случае будут решаться консолидированным сервисом – сервисом, обеспечивающем последовательно-параллельное выполнение компонентов комплексного моделирования в виде специализированных научных сервисов. Описание процессов выполнения научного сервиса основано на методике исследования и представляет собой план исследования (технологическую карту исследования), описывающий необходимый для выполнения сервиса взаимоувязанный по времени набор операции и перечень ресурсов для их выполнения. В современных условиях развития микросервисного подхода к созданию вычислительных систем и децентрализации корпоративных интеграционных шин проблемам эффективной интеграции платформенных сервисов уделяется особое внимание. В работе предлагается дополнить существующее описание научного сервиса возможностью заказа стороннего сервиса на основе механизмов гибкой (agile) интеграции. Этот подход позволит на современном этапе развития сервисных архитектур преодолеть недостатки централизованных систем типа корпоративных интеграционных шин и воспользоваться преимуществами эластичности облачных вычислений и микросервисного подхода к созданию информационно-вычислительных систем.



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1609-3577 (Print)
ISSN 2413-6387 (Online)