Створено перший у світі комп’ютер із 2D-матеріалів товщиною в один атом

Розробка 2D-комп’ютера від Пенн Стейт стала важливим досягненням у сфері електронних досліджень, розповідає 24 Канал. Результати роботи були опубліковані в журналі Nature у червні 2025 року.

Команда під керівництвом професора Саптарші Даса створила комп’ютер на основі комплементарної метал-оксид-напівпровідникової технології (CMOS), яка є основою більшості сучасних електронних пристроїв. Замість традиційного кремнію вони використали два різні 2D-матеріали атомної товщини: дисульфід молібдену для транзисторів n-типу та диселенід вольфраму для транзисторів p-типу.

Ця інновація вирішує ключову проблему сучасної електроніки – при зменшенні розмірів кремнієвих компонентів їхня продуктивність погіршується. Натомість 2D-матеріали зберігають свої унікальні електронні властивості навіть на атомному рівні.

Дослідники виготовили понад 2000 транзисторів, створивши так званий "комп’ютер з одним набором інструкцій", який здатен виконувати прості логічні операції на частоті до 25 кілогерц. Хоча ця швидкість значно нижча за показники кремнієвих схем, досягнення справді важливе, враховуючи, що дослідження 2D-матеріалів розпочалися лише близько 2010 року, тоді як кремній розвивався протягом 80 років.

Команда також розробила обчислювальні моделі для порівняння своєї технології з сучасними кремнієвими рішеннями, демонструючи потенціал для створення більш тонких, швидких і енергоефективних електронних систем у майбутньому.

Ця робота стала можливою завдяки підтримці платформи 2D Crystal Consortium Materials Innovation Platform Університету Пенн Стейт, яка надала спеціалізоване обладнання та інструменти для реалізації цього прориву.

Субір Гош (ліворуч) і Саптарші Дас (праворуч) очолили команду, яка розробила комп'ютер / Фото Penn State

Переваги 2D-матеріалів над кремнієм

Вибір командою Пенн Стейт дисульфіду молібдену (MoS₂) та диселеніду вольфраму (WSe₂) замість кремнію є фундаментальною зміною в архітектурі комп’ютерів. Ці двовимірні матеріали мають значні переваги, особливо в контексті мініатюризації пристроїв.

Якщо кремній втрачає ефективність на дуже малих масштабах, то 2D-матеріали зберігають свої виняткові властивості навіть при товщині в один атом, відкриваючи нові горизонти для майбутньої електроніки.

Для створення CMOS-архітектури дослідники спеціально підібрали дисульфід молібдену для транзисторів n-типу та диселенід вольфраму для транзисторів p-типу. Така комбінація є критично важливою, оскільки CMOS-технологія вимагає спільної роботи напівпровідників обох типів для забезпечення високої продуктивності при низькому енергоспоживанні.

Використовуючи метод метал-органічного хімічного осадження з парової фази (MOCVD), команда виростила великі пластини обох матеріалів і створила понад 1000 транзисторів кожного типу. Точне налаштування процесу виробництва дозволило відрегулювати порогові напруги, що забезпечило роботу повноцінних логічних схем CMOS.

Ці матеріали не просто замінюють кремній – вони представляють абсолютно нову парадигму в обчислювальній техніці, яка в майбутньому може призвести до появи значно тонших, швидших і енергоефективніших електронних пристроїв.

Перспективи застосування 2D-матеріалів

2D-матеріали, використані в атомно тонкому комп’ютері Пенн Стейт, відкривають захоплюючі можливості, що виходять за межі традиційних обчислень. Такі перехідні металеві дихалькогеніди (TMD), як дисульфід молібдену та диселенід вольфраму, мають унікальні оптоелектронні властивості, що роблять їх ідеальними для технологій наступного покоління.

• Гнучка електроніка: На відміну від жорсткого кремнію, ці 2D-матеріали можна інтегрувати в гнучкі корпуси, що дозволяє створювати справді гнучкі пристрої та дисплеї.
• Високошвидкісна електроніка: Пряма заборонена зона в одношарових TMD (у діапазоні від 1,56 до 1,65 еВ для сплавів молібдену та вольфраму) робить їх перспективними для надшвидких обчислень.
• Збирання енергії: Диселенід вольфраму демонструє потенціал у фотоелектричних застосуваннях, зокрема для перетворення сонячної енергії.
• Хімічні та екологічні датчики: Транзистори з MoS₂ і графену можуть бути модифіковані для роботи як хімічні сенсори, що відкриває можливості для створення "розумної шкіри", здатної непомітно інтегруватися в середовище та реагувати на нього.
• Електрокаталіз: Функціоналізовані MoSe₂ і WSe₂ показали підвищену активність у реакціях виділення водню в кислотних і лужних середовищах, що має потенціал для чистих енергетичних технологій.

Хоча наразі 2D-комп’ютер працює на частоті 25 кілогерц із мінімальним енергоспоживанням, ці матеріали мають перспективи відкрити нову еру в обчислювальній техніці. У майбутньому вони можуть перевершити кремній у спеціалізованих застосуваннях, які вимагають надзвичайної тонкості, гнучкості чи унікальних сенсорних можливостей.