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PRESS RELEASE （技術）

2014年1月14日
株式会社富士通研究所

従来比3倍となる3,000原子規模のナノデバイス・シミュレーションに成功

スパコンを利用して約20時間で電気特性予測計算を実現

本技術の詳細は、1月14日に応用物理学会の国際的レター誌「Applied Physics Express（APEX）」で公開されます。

開発の背景

従来、LSIをはじめとするシリコンデバイスは、微細化によってデバイスの高速化や低消費電力化を実現してきました。しかし、近年は微細化の限界に近づきつつあると言われており、性能向上が次第に困難になってきています。そのため、新しい材料の導入や新しい構造のデバイス開発が盛んに行われています。

課題

ナノデバイス開発において、実験を行わずに計算機上だけで正確な電気特性の計算ができれば、開発期間とコストを削減できます。それには、1つ1つの原子の振る舞いを正確に計算する第一原理計算による電気特性シミュレーションが有効です。しかし、第一原理計算は膨大な計算が必要なため、電気特性予測に適用する場合、1,000原子規模にとどまっていました（図1）。1,000原子の規模では、電子の通り道であるチャネル部分だけの計算が可能であり、電気特性に大きな影響を及ぼすと考えられる隣接する電極や絶縁膜との相互作用を取り入れるのに必要な原子、数千個規模のシミュレーションを実現することができませんでした。

開発した技術

今回、計算精度を保ちながら計算に利用するメモリ量を削減する計算手法と、スパコンの活用により、3,000原子の大規模な構造でも第一原理計算による電気特性予測を可能にする技術を開発しました。

電気特性シミュレーションでは、電気の流れを表すために基底関数の組を用います。通常、基底関数の数が増えると計算結果の得られる電流値は正しい値に近づいていきますが、一方で使用する計算メモリ量が増加します。今回、計算精度を保持しながら、計算メモリを約4分の1、計算時間を約25分の1に削減できる基底関数の組を発見しました（図2）。これにより、利用メモリを汎用スパコン（注5）の許容メモリ以下にすることができ、3,000原子規模のナノデバイスの電気特性を約20時間で予測することが可能になりました。

シミュレーションを実施するにあたり、北陸先端科学技術大学院大学と計算科学物質イニシアチブが開発した大規模並列化技術を用いた第一原理計算プログラムのOpenMX（注6）を利用しています。本プログラムでは原子の分割方法の工夫（図3）により使用する通信量や計算メモリ量を削減し、かつ空間の分割方法の工夫（図4）により第一原理計算で重要な高速フーリエ変換（FFT）の高速化を実現しています。

これら技術により、グラフェンと絶縁膜で構成された3,030原子からなるナノデバイスの電気特性のシミュレーションが可能になりました。絶縁膜がある場合とない場合のシミュレーション結果を図5に示します。

効果

今回開発した技術により、3,000原子規模の電気特性シミュレーションが実現できるため、部分間の相互作用まで取り入れたナノデバイス構造の電気特性を把握することが可能になり、新しいナノデバイス設計の実現に向けて大きく前進しました。

今後

計算機の性能向上にあしなみを合わせたさらなる大規模並列化技術の開発により、より大規模で効率的な計算を追求し、数年中にナノデバイス全体のシミュレーションを達成すること（10,000原子規模）で、計算機上でのナノデバイス設計の実現を目指します。

商標について

記載されている製品名などの固有名詞は、各社の商標または登録商標です。

注釈

注1 株式会社富士通研究所：

代表取締役社長 富田達夫、本社 神奈川県川崎市。

注2 第一原理計算：

実験データや経験パラメーターを用いず、電子や原子が従う量子力学の基本法則から物質の性質を計算する方法。

注3 北陸先端科学技術大学院大学：

学長 片山卓也、所在地 石川県能美市。

注4 計算科学物質イニシアチブ：

統括責任者 常行 真司、千葉県柏市。

注5 スパコン：

「FUJITSU Supercomputer PRIMEHPC FX10」の3,000コア程度を利用した場合。

注6 OpenMX：

Open source package for Material eXplorer。

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