原子级器件模拟是从非平衡格林函数器件模拟方法发展起来的种器件模拟方法。随着微电子器件尺寸的不断缩小，器件已经缩小到原子尺度，已经可以用数百甚至数十层原子描述器件结构，因此从原子尺度出发的器件模拟成为可能。

在非平衡格林函数方法中，半导体晶格周期性势场对载流子的影响被处理为体系的哈密顿量。原子级器件模拟器是指利用原子轨道(如紧束缚近似)写出整个器件的哈密顿量，并完成后续的计算，得到器件的性能的半导体器件模拟器。对于硅材料来说，由于需要使用10个原子轨道才能很好地描述一个硅原子的哈密顿量( 如果考虑自旋轨道耦合，则需要20个轨道)，因此硅器件的原子级器件模拟器需要的计算量非常庞大。

由于原子级器件模拟器的计算量非常庞大，通常需要利用超级计算机的并行计算能力，在多个CPU核上进行并行计算，才能完成原子级器件模拟器的仿真。由于非平衡格林函数的性质，在不考虑电子与晶格间的散射作用的情况下，不同能量之间的电子是脱耦的，因此电子能量是一个天然的并行度。除了电子能量这一个并行度，还可以将整个器件分成多个子部件，每个部件分别计算，然后将计算结果整合起来，作为一个新的自由度。如果是计算整条I-U曲线，还可以将栅电压、漏电压作为一个新的自由度。

Mathieu Luisier 开发的OMEN,以及普渡大学后续开发的NEMOS,是业界比较著名的原子级器件模拟器。随着需要计算的原子数量的增加，原子级器件模拟器的计算量急剧增大。目前，原子器件模拟方法仅用于模拟极小尺寸的器件。