突破纳米极限！原子级模拟新方法，引领下一代芯片设计革命

当芯片制程迈入 3 纳米 “后摩尔时代”，微电子器件模拟正面临一个 “死循环”：想要原子级精度，就得承受 DFT 方法的海量算力消耗；想要高效仿真，又得放弃连续介质模型无法捕捉的原子级波动、单缺陷屏蔽等关键微观细节。这是后摩尔时代超尺度器件研发的核心瓶颈难题。

近日，中国科学院半导体研究所的汪林望团队提出的原子基元泊松求解器（Atomic Motif-based Poisson Solver：AMPS）以突破性成果发表在计算材料领域权威期刊Computational Materials Today上，文章DOI：10.1016/j.commt.2025.100037。这项技术首次实现 “第一性原理精度 + 器件级规模 + 传统 TCAD 效率” 的三重突破，让 20000 原子规模的全环绕栅极（GAA）器件仿真从 “超算专属” 变成 “普通 CPU 可完成”，为后摩尔时代芯片设计提供了革命性工具。

在芯片设计中，介电屏蔽效应直接决定器件的电容 - 电压（C-V）特性，是 TCAD 仿真的核心。但随着器件尺寸缩小到纳米尺度，原子级波动、单缺陷屏蔽等微观效应成为性能关键，传统方法却束手无策：

连续介质 TCAD：4 CPU 就能快速仿真，但精度不足，无法捕捉原子级界面粗糙、极化波动等关键效应；

直接 DFT 方法：能提供原子级精度，却受限于 O (N³) 计算复杂度，模拟 20000 原子系统需动用超级计算机，耗时数天甚至数周，且无法处理器件非平衡态工作场景；

现有极化模型：或局限于特定材料（如 InGaN/GaN 量子阱），或仅适用于 2D 系统，缺乏通用的器件级解决方案。

电荷基元（CMs）：描述单个原子在特定成键环境下的基态电荷密度，从体相晶体或局部原子片段中提取，确保原子级精度；

极化基元（PMs）：通过微扰理论计算电场下的电荷密度变化，避免传统方法的理论谬误，精准表征原子极化响应。

关键优势：无需预设经验介电常数（如 Si=11.9、SiO₂=3.9），自然适配晶体、非晶等多种材料体系。

在 7 纳米栅极长度硅 MOSFET的基准测试中，AMPS 展现了惊人的效率优势：

更值得关注的是，AMPS 具备超强扩展性：扩展至 64 核时，计算时间可缩短至 10 min，完全适配普通实验室的计算资源配置，计算效率堪比传统 TCAD 工具。

超尺度器件仿真：成功构建含 11169 原子的 GAA 器件模型（环绕栅极器件），并实现 20000 原子串联 GAA 器件的稳定收敛，捕捉到传统方法无法察觉的原子级电势波动；

原子级界面研究：通过模拟 Si-SiO₂热氧化过程形成的原子级粗糙界面，首次直观展示了界面波动导致的电子 / 空穴波函数局域化现象，为器件界面优化、降低散射损耗提供全新理论依据；

跨尺度一致性：在 14 纳米、7 纳米至 3 纳米栅长的双栅场效应晶体管（double-gated FET）测试中，原子基元泊松求解器（AMPS）预测的栅极转移特性曲线（transfer characteristics curves）及漏致阈值滚降（DIBL, drain-induced barrier lowering）效应，与连续介质技术计算机辅助设计（continuum TCAD, technology computer-aided design）工具的仿真结果高度吻合，证实了该方法在纳米尺度器件跨尺度仿真中的可靠性与稳定性。

Computational Materials Today期刊—— 计算材料与器件交叉领域的 “创新摇篮”

本次成果发表的Computational Materials Today是 Elsevier 旗下聚焦计算材料科学与工程的权威期刊，致力于发表推动技术落地的突破性研究，涵盖从原子模拟到工业级仿真的全链条。

本文采用PWmat计算，团队后续也将进一步拓展 AMPS 方法的应用场景，包括单掺杂原子效应研究、与量子输运技术的集成，以及机器学习力场的融合，推动其从 “仿真工具” 向 “设计优化平台” 升级。

在芯片制程不断逼近物理极限、后摩尔时代技术创新陷入瓶颈的当下，AMPS 的出现为超尺度器件的研发提供了 “精准 + 高效” 的新范式。期待更多科研团队、企业研发人员关注这一成果，通过引用与合作，共同加速后摩尔时代的技术突破！