Вызов для кремния: учёные впервые сконструировали процессор из двумерных материалов

Исследователи впервые разработали одноинструкционную вычислительную систему с использованием двумерных материалов — ультратонких структур толщиной в один атом. Это достижение может стать альтернативой кремниевым технологиям. Ключевым успехом стала интеграция двумерных материалов в стандартные полупроводниковые микросхемы (КМОП-технология), что ранее считалось крайне сложной задачей из-за особенностей этих материалов.

В основе системы лежат два типа транзисторов: n-тип из дисульфида молибдена (MoS₂) и p-тип из диселенида вольфрама (WSe₂). Для их эффективного взаимодействия ученые скорректировали несколько параметров: сократили длину каналов, использовали изоляторы с высокой диэлектрической проницаемостью и усовершенствовали процесс создания двумерных структур. В результате транзисторы обладают высокой проводимостью в активном состоянии и минимальными потерями энергии в режиме ожидания.

Устройство работает при напряжении менее 3 вольт и частоте до 25 кГц — текущее ограничение связано с паразитными ёмкостями. Энергопотребление компьютера чрезвычайно низкое: в пиковых режимах оно не превышает пиковатта (триллионные доли ватта), а переключение между состояниями требует примерно 100 пикоджоулей энергии, что значительно меньше, чем у современных кремниевых аналогов.

Для проверки учёные использовали стандартные инструменты моделирования: платформу SPICE и модель BSIM-BULK, которые учитывают даже минимальные различия между транзисторами. Сравнительный анализ с современными кремниевыми технологиями подтвердил перспективы двумерных материалов, однако для их массового применения требуются дополнительные исследования.

Все экспериментальные данные, включая условия синтеза и результаты тестов, размещены в открытом доступе.

Успешная разработка ОИК демонстрирует, что двумерные материалы могут стать основой для следующего поколения электроники: более компактной, энергоэффективной и производительной. Хотя до коммерческого использования технологии пока далеко, эксперимент подтверждает возможность замены кремния передовыми наноматериалами.

Источник: iXBT