富士通研、スパコン活用による原子1000個の電気特性シミュレーションを実現

富士通研究所は、計算機上で新しいナノデバイスの正確な設計が可能となる、原子1000個の電気特性シミュレーションに成功したことを発表した。

一般的なLSIではSiを材料に用いてきたが、プロセスの微細化に伴うリーク電流の増大などに対応するには新たな素材を導入するなどの方策が取り入れられているほか、まったく新しい素材を材料とする次世代トランジスタの開発も進められている。

原子レべルの材料では、一般的な物質であっても配列の違いなどにより、一般的な性質とは異なった姿を見せることが多々ある。こうした材料を用いたナノデバイスを開発する場合、実験的にその性質を確認する必要があるが、これを計算機のみで電気特性を知ることができれば、開発期間や製造コストなどの短縮が可能となるが、原子の配置構造がほんの少しずれただけでもデバイスの電気特性に影響が出てしまうことから、こうした新たなナノデバイスの電気特性を計算機上で予測することは困難であった。

こうした従来にない新しいデバイスの特性を正確に予測するには、実験データや経験パラメータを用いず、電子や原子が従う量子力学の基本法則から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利用されてきた。しかし、第一原理計算は大規模な計算が必要なため、その適用は数100原子にとどまっており、ナノデバイスの設計に必要と考えられる原子1000個規模の電気特性シミュレーションを実現することはこれまでできていなかった。

今回、同社では、北陸先端科学技術大学院大学が開発した第一原理計算プログラム「OpenMX」を利用し、原子1000個の大規模な構造でも確実に電気特性の計算を可能にする技術を開発した。

電気特性の計算では、入力値を少しずつ更新しながら、計算結果が収束するまで計算を繰り返すが、大規模な第一原理計算では計算が終わらなかったり、計算に大変時間がかかるといった問題が発生することがあった。同社では今回、同大と共同でプログラムと運用法の改良を行い、少ない繰り返し回数で第一原理計算を確実に終了できるようにした。

その結果、名古屋大学情報基盤センターのスーパーコンピュータ「FX1システム」の3分の1(1,024コア)を利用し、効率の良いハイブリッド並列処理を導入することで大規模なモデルの計算が可能になり、改良した第一原理計算プログラムとスパコンの利用を組み合わせれば、原子1000個規模のモデルの電気特性を約3日間で計算できるようになったという。

例えばナノカーボンでは、電子移動度が高いグラフェンやカーボンナノチューブが開発されており、グラフェン電極とカーボンナノチューブを組み合わせることは、オールカーボン・デバイス実現に向けた候補の1つとなっている。今回開発した技術を利用した研究では、グラフェン電極とカーボンナノチューブを組み合わせた構造の中で、ある一定のの構造の時の電気特性だけが、デバイス実現に望ましいオーミック特性となり、ナノチューブの長さや接合部分の構造により電気特性が大きく異なることが判明したという。

なお、同社では今後、ナノデバイスの電気特性シミュレーションだけでなく、原子レベルからの材料設計のシミュレーションなどについても、計算機上でより大規模な計算を効率的にできる技術を開発し、計算機上での仮想ものづくりを目指すとともに、新しいナノデバイスの実現に向けた取り組みを進めていくとしている。