随着电子设备变得越来越小型化，纳米级的热管理也成为一项挑战，尤其是对于在亚微米级运行的设备。传统的热传导模型无法捕捉这种规模的复杂热传递行为，其中声子(晶格结构中的振动能量载体)占主导地位。

新颖的计算方法解决了基于声子的热模拟中的障碍

具体来说，基于声子的热模拟有两个关键障碍需要解决：一是依赖经验参数，这限制了模型在不同材料中的适应性;二是三维(3D)模拟所需的巨大计算资源。

上海交通大学热物理学教授鲍华领导的研究小组发表了一项研究成果，报告了一种解决这些挑战的新型计算方法。这项研究发表在《基础研究》杂志上。

“当器件尺寸缩小到与声子平均自由程相当的尺度时，经典的傅立叶定律就不再适用了，”鲍哲南解释道。“为了准确地模拟热传导，我们必须使用声子玻尔兹曼传输方程 (BTE)。话虽如此，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，从第一原理精确计算出必要的参数，该团队成功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也大幅提升了模拟效率。例如，一个具有 1300 万个自由度的 3D FinFET 器件，以前需要数百个 CPU 内核在几个小时内完成模拟，而现在在普通台式计算机上只需不到两小时即可完成模拟。

鲍哲南说：“我们的方法不仅降低了计算成本，而且还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准确解析晶体管级的温度曲线提供关键的见解。”

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能为纳米电子学和热物理学的未来研究和实际应用铺平道路。

“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，”Bao 补充道。