Simular fluxo de calor nos eletrônicos agora ficou uma brisa

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/10/2024

A simulação do calor em um transístor 3D agora leva uma fração do tempo.
[Imagem: Yue Hu et al. - 10.1016/j.fmre.2022.06.007]

Gerenciamento do calor

À medida que os aparelhos eletrônicos se tornam cada vez mais miniaturizados, o gerenciamento de calor torna-se um problema cada vez maior, especialmente para dispositivos que operam na escala dos nanômetros.

E é difícil lidar com o problema porque nem as teorias ajudam: Os modelos tradicionais de condução de calor não conseguem explicar bem o complexo comportamento da transferência térmica nessa escala, onde dominam os fônons, os portadores de energia vibracional.

Em particular, há dois obstáculos importantes a serem enfrentados na simulação do calor quando os fônons são usados na descrição de seu espalhamento. Um é a dependência de parâmetros empíricos, o que limita a adaptabilidade do modelo para diferentes materiais, e o outro são os enormes recursos computacionais necessários para fazer simulações tridimensionais (3D) de cada material ou componente.

"Quando as dimensões dos componentes diminuem para escalas comparáveis ao caminho livre médio do fônon, a lei clássica de Fourier não se aplica mais," explicou o professor Hua Bao, da Universidade Shanghai Jiaotong, na China. "Para modelar a condução de calor com precisão, devemos 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."

A boa notícia é que a equipe desenvolveu um novo método computacional que consegue dar conta desses dois desafios.

Como são parâmetros demais (13 milhões em apenas um transístor), as simulações são essenciais para guiar os experimentos.
[Imagem: Yue Hu et al. - 10.1016/j.fmre.2022.06.007]

Simulação do fluxo de calor

Ao aplicar a regra de ouro de Fermi para calcular precisamente os parâmetros necessários a partir dos primeiros princípios, a equipe conseguiu eliminar a necessidade de parâmetros empíricos, que precisariam ser coletados previamente em cada material. Este avanço permite que o modelo seja aplicado em uma ampla gama de materiais, mantendo alta precisão.

Além disso, ao introduzir algoritmos numéricos avançados, a equipe aumentou drasticamente a eficiência da simulação. Por exemplo, um transístor FinFET 3D, que tem nada menos do que 13 milhões de graus de liberdade em relação do fluxo de calor, o 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 de mesa comum.

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

Você sabia que, vendo o calor como onda, é possível comprimir o calor a um décimo do seu tamanho?
[Imagem: Yin Liu/NC State University]

Código aberto

Além das melhorias algorítmicas, a equipe desenvolveu uma plataforma de software de código aberto, chamada GiftBTE, projetada para facilitar novos avanços na simulação de transferência de calor na escala abaixo dos micrômetros. Os pesquisadores esperam que sua abordagem abra caminho para melhorias futuras e aplicações do mundo real 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," concluiu Bao.

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