一种新的计算方法解决了基于声子的热模拟中的障碍

随着电子设备越来越小型化，纳米级的热管理成为一项挑战，特别是对于亚微米级的设备。传统的热传导模型无法捕捉到这种尺度下热传递的复杂行为，在这种尺度下，声子（晶格结构中的振动能量载体）占主导地位

特别是，在基于声子的热模拟中，有两个关键障碍需要解决。一个是对经验参数的依赖，这限制了模型对不同材料的适应性，另一个是三维（3D）模拟所需的巨大计算资源

在上海交通大学热物理学教授华宝领导的一个研究小组发表的一项研究中，报告了一种解决这些挑战的新计算方法。这项工作发表在《基础研究》杂志上

鲍解释说：“当器件尺寸缩小到与声子平均自由程相当的尺度时，经典傅里叶定律不再适用。”。“为了准确地模拟热传导，我们必须使用声子玻尔兹曼输运方程（BTE）。也就是说，有效地求解3D结构的这个方程一直是一个挑战。”

尽管如此，通过应用费米黄金法则从第一性原理中精确计算必要的参数，该团队成功地消除了对经验参数的需求。这一突破使该模型能够应用于各种材料，同时保持高精度

此外，先进数值算法的引入大大提高了模拟效率。例如，一个具有1300万自由度的3D FinFET器件，以前需要在几个小时内使用数百个CPU内核，现在可以在普通台式计算机上在不到两个小时的时间内进行模拟

Bao说：“我们的方法不仅降低了计算成本，而且能够对复杂的纳米级结构进行精确的热模拟，为设计具有特定热性能的材料和在晶体管级别精确解析温度分布提供了关键见解。”

除了算法改进外，该团队还开发了GiftBTE，这是一个开源软件平台，旨在促进亚微米传热模拟的进一步发展。研究人员希望他们的方法将为纳米电子学和热物理学的未来研究和现实应用铺平道路

Bao补充道：“我们相信，我们的工作将鼓励其他科学家探索基于BTE的模拟的新应用，特别是在设备中的电热耦合等复杂的多物理场景中。” More information: Yue Hu et al, Ultra-efficient and parameter-free computation of submicron thermal transport with phonon Boltzmann transport equation, Fundamental Research (2024). DOI: 10.1016/j.fmre.2022.06.007