전자구조 계산 및 정보 그리드

Abstract

3.연구의 내용 및 범위

차세대 그리드 시스템의 구축을 위해서는 컴퓨터의 다양한 성능과 네트워크와의 상호작용을 이해하고, 이러한 상호작용특성을 적절히 이용하여 활용하는 것이 매우 중요하다. 여러 응용과제 중에서 양자역학적인 정확한 방법에 기초하여 물질의 특성을 분석하는 전자구조계산은 고성능 계산과 대용량 자료전송 네트워크를 필요로 하기에 이 그리드 시스템의 기술개발에 매우 좋은 응용과제이다. 이를 위해서 본 그룹은 다음과 같은 전자구조 계산 및 정보화와 관련된 그리드 연구활동을 수행하였다.

1) 캠퍼스 그리드 시스템의 성능 분석 각각의 전자구조계산 프로그램은 물질의 전자구조를 계산하기 위하여 독특한 계산기법을 사용한다. 이 기법에 따라 어떤 경우에는 각 노드 간의 네트워크 전송속도가 중요하기도 하고, 또 다른 경우에는 네트워크 전송속도보다 각 프로세서의 수행속도, 또는 프로그램 수행 중의 입출력 속도가 중요하기도 한다. 그 응용 예의 하나로 전자구조 계산 프로그램 FHI96MD의 연산 수행중의 CPU time, 시스템 time, 네트워크 성능, 메모리 특성 등을 분석하였다. 더 나아가 이러한 특성들이 국소병렬컴퓨터와 그리드 시스템에서 어떠한 차이를 보이는 가에 대해서 연구를 수행하였다. 이 기술개발을 기반으로 서울시립대 캠퍼스 내에 구축된 캠퍼스 그리드에서의 성능을 조사하였다.

2) 다양한 물질계의 전자구조계산 위의 전자구조계산법을 이용하여 전자구조 계산 정보 그리드 구축을 위한 다양한 물질계의 전자구조계산을 수행하였다.

① 저차원 원자구조물의 전자구조 위의 제일원리 전자구조계산 프로그램을 사용해서 3차원 벌크 물질보다 차원이 낮은 저차원 원자구조물의 물리적 특성을 결정하는 전자구조계산을 그리드 시스템에서 수행하였다. 저차원 원자구조물로 Ba/Si(111), Ag/Si(001), Tl/Si(111), (Mn, Nb)-치환 SrTiO3 등의 물질계를 연구하였다.

② 극절연박막의 원자구조 및 전자구조 반도체의 극미세화 기술은 다양한 박막관련 기술의 이해를 요구한다. 그 중에서 극절연막 분야에서는 지금까지 실리콘산화막이 널리 이용되어져 왔다. 그러나, 이 절연막은 회로의 선폭이 아주 작아졌을 때 절연특성에 있어서 커다란 문제를 일으키는데, 본 연구에서는 차세대 극절연박막으로 주목을 받고 있는 N/Si(001)의 원자구조 및 전자구조에 관하여 제일원리 전자구조계산을 수행하여 조사하였다.

③ 자성소자를 위한 스핀전자구조 최근에 과학기술계에서 커다란 주목을 받고 있는 스핀트로닉스와 관련해서 강자성 반도체의 스핀전자구조계산을 수행하여, 자성소자를 위한 새로운 물질을 찾고 있다. 먼저는 실험적으로 발견된 Ge:Mn, Ge:Fe 등의 물질에 대해서 스핀전자구조를 조사하며, 더 나아가 아직 실험에서 조사되지 않은 새로운 물질계의 스핀전자특성을 조사하고자 한다.

3.Contents and Scope In order to achieve future Grid technologies, we need to understand complex interactions between computing processors and networks and to classify those properties. In that sense, a study of electronic structure computation is one of the good examples since it basically requires huge computing power and huge data communications. Here, we have studied various related topics to the ESI for the GRID computation and informatics.

1) Performance Difference between GRID and Parallel-Computer Systems So far, various programs for the electronic structure calculations were developed and used based on complicate quantum theory called ""density-functional theory"". Each program takes advantage of its own specific algorithm exhibiting different behavior, especially, in performance of distributed computation. Here, we have investigated performance difference on both Grid and parallel-computer systems. During the computation, we have also analyzed performance behavior of CPU time, System time, Network communication, memory allocation etc. on both the parallel computer and GRID system (or the Seoul Campus Grid system) for the real application program, FHI96MD.

2) Electronic Structures of Various Materials - Low-dimensional atomic systems Low-dimensional atomic systems are the subject that has been studied for a long time, and recently with the advent of nanotechnology, much more interest has been devoted to the fabrication of nano-sized structures on solid surfaces. One of the potential applications of such low-dimensional atomic systems is to utilize their unique properties to develop more advanced devices. As such systems, we studied Ba/Si(111), Ag/Si(001), Tl/Si(111), and (Mn, Nb)-doped SrTiO3 systems.

- Ultra-thin insulating films Ultra-thin films of silicon nitride or silicon oxynitride have been extensively studied since they play a key role in the present and near-future electronic devices such as the CMOS devices. For example, in the silicon oxynitride/Si system, N atoms accumulated at the interface are thought to be responsible for low leakage current and high electrical reliability. However, the present understanding of the adsorption/incorporation structures of N on Si is very much limited. Through combined experimental and theoretical investigations, we have studied the depth profile and atomic structure of the dissociated N atoms on Si(001).

- Spintronics Since the discovery of the ferromagnetism in diluted magnetic semiconductor (DMS) such as InAs:Mn or GaAs:Mn, it has been intensively studied for the fabrication of a new functional spin electronics. Recently, Ge:Mn and Ge:Fe has been also found to exhibit ferromagnetic behavior. As a new possible DMS, we have studied SiC:TM (TM=V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni) system.