等离子体科学家开发的计算机程序可以降低微芯片的成本，刺激制造业

微芯片由沙子中发现的相同元素制成，覆盖着复杂的图案，为智能手机供电，增强电器，并帮助汽车和飞机运行

现在，美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科学家正在开发计算机模拟代码，该代码将优于当前的模拟技术，并有助于使用等离子体生产微芯片，等离子体是一种也用于聚变研究的带电物质状态

这些代码有助于提高制造过程的效率，并有可能刺激美国芯片行业的复兴

PPPL低温建模小组负责人、首席研究物理学家Igor Kaganovich说：“因为带有微芯片的设备对我们的日常生活至关重要，所以它们的制造方式和地点事关国家安全。”

“能够准确预测等离子体行为并缩短硅片制造和设计周期的稳健可靠的模拟工具可以帮助美国重新获得该领域的领导地位，并将其保持数十年。”

加快步伐

一项PPPL研究工作涉及减少计算机模拟微芯片等离子体反应器所需的时间。这项创新将有助于私营企业广泛使用更复杂、更准确的模拟，并有助于降低微芯片成本

《等离子体物理学》报告结果的论文合著者、PPPL的计算研究助理Andrew Tasman Powis说：“公司希望使用模拟来改进他们的过程，但它们通常计算成本很高。”。“我们正在尽最大努力扭转这一趋势。”

物理学家通常希望模拟尽可能准确地再现等离子体，生成虚拟图片，以非常精细的细节揭示等离子体行为的复杂性。这一过程需要算法，程序遵循一套规则，在很短的时间增量和很小的空间内模拟等离子体

问题是，如此详细的模拟需要强大的计算机一次运行数天或数周。对于那些想利用模拟来改进微芯片制造工艺的公司来说，这一时间框架太长，成本也太高

研究人员深入研究了等离子体物理史，找到了已经开发的算法，这些算法可能能够缩短模拟微芯片等离子体所需的时间。研究人员从20世纪80年代发现了合适的算法；经过测试，这些算法证明了在更短的时间内对微芯片等离子体系统进行建模的能力，而且精度只略有下降

从本质上讲，研究人员发现，即使他们在更大的空间内使用更长的时间增量对等离子体粒子进行建模，他们也可以得到很好的模拟

“这一发展很重要，因为它可以为公司节省时间和金钱，”该研究的首席研究员、普林斯顿大学等离子体物理项目的前研究生孙浩民说

“这意味着，用同样数量的计算资源，你可以创建更多的模拟。更多的模拟不仅可以让你找到改善制造业的方法，还可以学习更多的物理知识。我们可以利用有限的资源做出更多的发现。”

Powis领导的相关研究强化了这种可能性。Powis在《等离子体物理学》上发表的一篇论文中证实，计算机代码可以在使用虚拟“细胞”或小体积空间的同时生成等离子体粒子的精确模型，这些空间超过了等离子体物理学中的标准测量值，即德拜长度

这一发展意味着代码实际上可以使用更少的单元，并减少计算时间的需要。Powis说：“这是个好消息，因为减少单元数量可以降低模拟的计算成本，从而提高性能。”

这些算法可以模拟所谓的“电容耦合等离子体反应器”，该反应器产生工程师用来在硅晶片中蚀刻狭窄通道的等离子体。这些微小的通道形成了微电路，使微芯片发挥作用

Powis说：“我们对这个过程的建模很感兴趣，这样我们就可以学习如何控制等离子体的特性，预测它们在新机器中的样子，然后预测蚀刻特性，这样我们就能改进这个过程。”

该团队计划通过添加不同种类的墙壁和电极材料的效果来进一步测试算法。波维斯说：“我们希望继续对这些算法建立信心，这样我们就可以确保结果是准确的。”

认识和克服固有的局限性

另一项研究工作侧重于可能蔓延到等离子体模拟中的误差，因为模拟方法本身的固有局限性，模拟的等离子体粒子数量比真实等离子体中的粒子数量少

“当你模拟等离子体时，理想情况下你想跟踪每一个粒子，并随时知道它在哪里，”普林斯顿等离子体物理项目的研究生、《等离子体物理学》一篇论文的主要作者Sierra Jubin说。“但我们没有无限的计算能力，所以我们无法做到这一点。”

为了克服这一困难，研究人员设计了将数百万个粒子表示为一个巨大粒子的代码。这样做简化了计算机的任务，但也放大了虚拟巨粒子的相互作用。因此，以一种速度运动的粒子比例与以另一种速度移动的粒子比例的变化——这一过程被称为热化——发生得比自然界中更快。从本质上讲，模拟与现实不匹配

“这是一个问题，因为如果我们不解决这个问题，我们就不会成为模型i