Разработка вычислительных основ и комплекса программ для моделирования нелинейных процессов в технических микросистемах

Проект лежит в русле двух приоритетных направлений развития науки РФ - "Информационно-телекоммуникационные системы" и "Индустрия наносистем", и связан с двумя критическими технологиями: "Технологии и программное обеспечение распределенных и высокопроизводительных вычислительных систем" и "Компьютерное моделирование наноматериалов, наноустройств и нанотехнологий".Цель проекта – создание физико-математических и вычислительных основ для моделирования сложных нелинейных процессов в технических микросистемах, являющихся основой нанотехнологий и изготовляемых с их помощью электронных приборов.Актуальность проекта обусловлена тем, что современная электроника, электротехника и электроэнергетика требуют применения качественно новых технологий и материалов для производства электронных приборов с высокой токонесущей способностью и низким уровнем энергопотерь и/или энергопотребления. Для разработки таких приборов необходимо проведение детальных исследований физических процессов, имеющих отношение как к самим создаваемым приборам, так и к технологиям их изготовления. Проведение таких исследований на современном этапе невозможно без применения методов математического моделирования и высокопроизводительной вычислительной техники.В проекте предполагается развивать два направления. Первое фундаментальное направление связано с разработкой математического аппарата компьютерного и суперкомпьютерного моделирования сложных нелинейных процессов в технических микросистемах. Оно предполагает разработку новых многомасштабных математических моделей, численных методов, параллельных алгоритмов и комплекса программ для решения с помощью суперкомпьютеров ряда актуальных задач современной электрофизики, электромеханики и наноэлектроники. В рамках данного направления предполагается продолжить развитие многомасштабного подхода, сочетающего методы механики сплошной среды (классической и квантовой), методы частиц и методы молекулярной динамики (классической и квантовой). Для предполагаемых математических моделей будут созданы соответствующие численные методы, сочетающие сеточные и подсеточные вычисления, а также параллельные алгоритмы и программы, реализующие эти методы на вычислительных системах с современной гибридной архитектурой.Второе прикладное направление связано с проведением конкретных вычислительных экспериментов при решении задач из выбранной прикладной области и получение информации о физических процессах, протекающих в рассматриваемых технических микросистемах. В качестве прикладных задач будут рассмотрены: 1) трехмерное моделирование процессов газодинамического напыления наночастиц на подложку, 2) двух- и трехмерное моделирование динамики вихрей Абрикосова в высокотемпературных сверхпроводниках с наноразмерными центрами пиннинга, 3) моделирование эмиссионных процессов с поверхности наноструктур, 4) моделирование процессов разрушения межсоединений в электронных приборах. В рамках этих работ предлагается сформировать новые или модифицировать имеющиеся многомасштабные математические модели изучаемых процессов, разработать специальные численные методы, параллельные алгоритмы и программы для их компьютерного анализа, провести детальные численные эксперименты, сравнение и верификацию разработанных моделей на основе данных теоретических и экспериментальных работ других авторов.Новизна проекта связана с разработкой многомасштабного подхода, позволяющего моделировать физические процессы с нужной степенью детализации. Уровень предлагаемых математических решений соответствует мировым тенденциям и разработкам.