Программное обеспечение QuaTrEx позволяет моделировать наноустройства на суперкомпьютерах

Развитие технологий, от компьютеров до смартфонов, стало возможным благодаря миниатюризации транзисторов на микрочипах. Однако создание ещё более мощных чипов для ИИ требует транзисторов размером в несколько нанометров, где для прогнозирования их работы классической физики уже недостаточно — в игру вступают квантовые эффекты.

Компьютерное моделирование таких нанотранзисторов было чрезвычайно сложной задачей даже для суперкомпьютеров, так как реалистичное устройство содержит десятки тысяч атомов. Исследовательская группа под руководством Матьё Луизье из ETH Zurich и MARVEL представила программный пакет QuaTrEx, который комбинирует три метода моделирования: теорию функционала плотности (DFT), GW-приближение и метод неравновесных функций Грина (NEGF).

Это позволило впервые смоделировать поведение наноленты — ключевого компонента транзисторов следующего поколения, состоящей из 42 240 атомов. Моделирование проводилось на суперкомпьютерах Alps в Швейцарии и Frontiers в США. Как отметил Луизье: «Прямой подход к моделированию такой физической системы не сработал бы даже на самом крупном суперкомпьютере. Нужно ускорять вычисления и находить способы сократить потребление памяти».

Ключевыми инновациями стали ускорение расчёта граничных условий и применение открытых граничных условий для части «W» в GW-приближении, чего раньше никто не делал. Также был реализован новый параллельный алгоритм для распределения вычислений между GPU.

За эту работу команда получила почётное упоминание премии ACM Gordon Bell Prize 2025 года. В будущем исследователи планируют ускорить QuaTrEx, используя смешанную точность вычислений и методы машинного обучения для предсказания входных данных DFT, что позволит моделировать ещё более сложные структуры, например, логические вентили.