SHF: Medium: Collaborative Research: Atomic scale to circuit modeling of emerging nanoelectronic devices and adapting them to SPICE simulation package

SHF:中:协作研究:新兴纳米电子器件的原子尺度电路建模并使它们适应 SPICE 仿真包

基本信息

  • 批准号:
    1514219
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 20.92万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2015-06-15 至 2019-05-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Aggressive scaling of CMOS technology and concomitant inventions of nanoscale nascent technologies have fueled the growth of computer, information, communication and consumer electronics industries of the 21st Century by leveraging the ground-breaking discoveries in nanoscience and nanotechnology. The workhorse of multibillion-dollar semiconductor industry, the CMOS technology is approaching its scaling limit due to the strong quantum-mechanical effects present at the nanoscale. To sustain the accelerated pace of economic growth during the post-CMOS era, this multi-university collaborative research proposal envisages building the roadmap of VLSI technology in two significant ways. First, the research is mooted to extend quantum transport principles to simulate emerging nano-devices based on novel semiconductor and 2-D layered materials by exploiting non-charge based degrees of freedom, electron spin controlled magnetization, interaction between electromagnetic waves and semiconductors in metamaterial structures, and topological states in topological insulators. Second, the research will systematically scale these properties from their fundamental atomistic limits to circuit level integration by developing industry-graded SPICE-compatible compact models for heterogeneous circuits that will define the landscape of beyond Moore?s Law VLSI systems. Integrative education, training, and outreach activities envisioned in this collaborative proposal will encompass K-12, undergraduate, graduate, female, minority, and postdoctoral fellows by leveraging the existing outreach activities of participating universities in order to advance science and engineering education in broader segments of the society.Using density-functional theory (DFT), time-dependent density functional theory (TD-DFT), time-dependent density-matrix functional theory (TD-DMFT), to phenomenological Extended Huckel to effective mass, in conjunction with non-equilibrium Green?s function (NEGF) methods, quantum field theory, and finite-difference time domain (FDTD) methods, a wide variety of computational methods are going to be developed to tackle the modeling of multiscale circuits in future VLSI systems. The software packages and multiscale modeling tools resulting from the proposed research activity are going to provide computer chip designers and manufacturers the ability to model complex hybrid substrates comprising nanoscale electronic, spintronic, opto-electronic, and plasmonic devices. The resulting software is going to be written with a view to enabling researchers from universities and practicing engineers in industries to develop their own modules that will engender improved system functionality, integration density, and operational speed.
CMOS 技术的大幅微缩以及随之而来的纳米级新兴技术的发明,利用纳米科学和纳米技术的突破性发现,推动了 21 世纪计算机、信息、通信和消费电子行业的发展。作为价值数十亿美元的半导体行业的主力,CMOS 技术由于纳米尺度上存在的强大量子力学效应而正在接近其尺寸极限。为了维持后 CMOS 时代经济增长的加速步伐,这项多大学合作研究提案设想以两种重要方式构建 VLSI 技术路线图。首先,该研究旨在扩展量子传输原理,通过利用非电荷自由度、电子自旋控制磁化、超材料中电磁波与半导体之间的相互作用来模拟基于新型半导体和二维层状材料的新兴纳米器件拓扑绝缘体中的结构和拓扑状态。其次,该研究将通过为异构电路开发行业级的 SPICE 兼容紧凑模型来系统地扩展这些属性,从其基本原子限制到电路级集成,这将定义超越摩尔定律 VLSI 系统的前景。该合作提案中设想的综合教育、培训和外展活动将通过利用参与大学现有的外展活动,涵盖 K-12、本科生、研究生、女性、少数族裔和博士后研究员,以推动更广泛领域的科学和工程教育利用密度泛函理论(DFT)、瞬态密度泛函理论(TD-DFT)、瞬态密度矩阵泛函理论(TD-DMFT),将现象学扩展Huckel到有效质量,结合非平衡格林函数(NEGF)方法、量子场论和时域有限差分(FDTD)方法,将开发多种计算方法来解决多尺度电路的建模在未来的VLSI系统中。拟议研究活动产生的软件包和多尺度建模工具将为计算机芯片设计者和制造商提供对包括纳米级电子、自旋电子、光电和等离子体器件在内的复杂混合基板进行建模的能力。编写最终的软件的目的是使大学研究人员和行业实践工程师能够开发自己的模块,从而提高系统功能、集成密度和运行速度。

项目成果

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知道了