Кремнию брошен вызов: учёные впервые собрали процессор из двумерных материалов

Учёные впервые создали одноинструкционный компьютер (ОИК) на основе двумерных материалов — ультратонких структур толщиной в один атом. Это открытие может стать альтернативой традиционным кремниевым технологиям. Главным достижением стала успешная интеграция двумерных материалов в стандартные микросхемы (технология КМОП), что раньше считалось крайне сложным из-за особенностей таких материалов.

В основе компьютера лежат два типа транзисторов: n-типа из дисульфида молибдена (MoS₂) и p-типа из диселенида вольфрама (WSe₂). Для их совместной работы исследователи оптимизировали несколько параметров: уменьшили длину токопроводящих каналов, использовали изолирующие материалы с высокой диэлектрической проницаемостью и усовершенствовали процесс создания двумерных структур. В результате транзисторы демонстрируют высокую проводимость в активном состоянии и минимальные потери энергии в режиме ожидания.

Устройство работает при напряжении ниже 3 вольт и частоте до 25 кГц — текущее ограничение связано с паразитными ёмкостями в схеме. При этом энергопотребление компьютера исключительно низкое: в пиковых режимах оно не превышает пиковатт (триллионных долей ватта), а для переключения между состояниями требуется около 100 пикоджоулей энергии — это на порядки меньше, чем у современных кремниевых аналогов.

Для проверки результатов учёные применили стандартные для отрасли инструменты моделирования: платформу SPICE и модель BSIM-BULK, которые учитывают даже незначительные различия между отдельными транзисторами. Сравнение с передовыми кремниевыми технологиями подтвердило потенциал двумерных материалов, но для массового производства необходимы дополнительные исследования.

Все экспериментальные данные — от условий синтеза материалов до результатов тестов — опубликованы в открытом доступе.

Успешное создание ОИК подтверждает, что двумерные материалы могут лечь в основу электроники нового поколения: более компактной, энергоэффективной и производительной. Хотя до коммерческого использования технологии ещё далеко, эксперимент доказывает принципиальную возможность замены кремния перспективными наноматериалами.

 Источник: Nature, Penn State