成果 | 密院教师鲍华课题组实现超高效声子BTE求解和晶体管的全尺寸热仿真
近日，上海交通大学密西根学院教师鲍华团队在国家自然科学基金委主办的英文期刊《Fundamental Research》在线发表题为“Ultra-efficient and parameter-free computation of submicron thermal transport with phonon Boltzmann transport equation” （基于声子玻尔兹曼输运方程的亚微米尺度热输运的超高效无拟合参数计算）的研究论文。研究成果为深入理解芯片自发热机理，解决芯片的微观热设计等问题奠定坚实基础。鲍华课题组通过发展高效的数值方法并和MPI、CUDA并行计算进行有机融合，开发了高效的声子玻尔兹曼输运方程（BTE）算法，可在个人电脑上实现对1300万自由度的全尺寸三维晶体管中微观传热的精准求解。这是目前公开文献报导的最高效的微纳器件热仿真方法。
在晶体管工作时，内部运动电子会和晶格散射产生大量的热，而“热瓶颈”是制约电子器件进一步高效集成和芯片运算效率提高的重要瓶颈。目前， 晶体管中的热量如何产生和传导在很大程度上仍属未知领域，声子玻尔兹曼输运方程 (BTE) 是唯一可以研究这一尺度热输运的理论计算工具。然而，由于声子BTE的维度高，其高效准确求解一直是传热领域的难题，方程的应用往往局限于探索一维和二维简单体系中微纳热输运的机理性研究，对于真实的三维全尺寸的器件，由于计算量巨大，很难实现高效热仿真。
鲍华课题组经过多年的研究探索，并通过与密院教师沈泳星课题组的跨学科合作，在声子BTE的高效求解方面取得突破性进展，相关工作有望推动声子BTE替代当前晶体管的热仿真工具，真正实现对晶体管内部温度场的准确预测。与目前广泛采用的方法相比，课题组采用方法的计算时间可以减少数千倍。过去在超级计算机上难以完成的仿真案例，可以在个人电脑上两小时内完成。此外，该方法还解决了声子BTE的通用性问题，通过第一原理计算结果的输入，原则上可以实现对任意晶体材料的微纳结构的准确、无拟合参数的热仿真。
鲍华为论文的通讯作者，密院博士生胡跃为第一作者。沈泳星副教授参与指导该项工作。研究工作也得到上海交通大学高性能计算中心文敏华团队和密院机械工程、电子与计算机工程专业的多位本科生的支持。未来，鲍华课题组将与高性能计算中心团队合作，开发一款有自主知识产权的微纳器件热仿真软件。
鲍 华
长聘副教授、博士生导师
鲍华，上海交通大学密西根学院长聘副教授、博士生导师。2006年获清华大学物理学学士学位、2012年获美国普渡大学机械工程博士学位。主要研究方向为微纳尺度导热和热辐射，以及电子器件热管理、太阳能光热综合利用等。获得上海市自然科学一等奖。主持国家自然科学基金优秀青年基金项目等4项国家级项目，以及华为技术有限公司、浙江能源集团等企业项目。