Вчені представили перший у світі 2D-комп’ютер

Дослідники з Університету штату Пенсильванія розробили перший безкремнієвий комп’ютер із використанням атомарно тонких матеріалів. Цей прорив може змінити майбутнє електроніки, проклавши шлях до надзвичайно ефективних і мініатюрних обчислювальних пристроїв.

Кремній уже давно є основою напівпровідникових технологій, які живлять такі пристрої, як смартфони, комп’ютери та електромобілі. Однак, за даними дослідницької групи під керівництвом учених з Університету штату Пенсильванія, його домінування може поступово зменшуватися.

Вперше групі вдалося успішно створити функціонуючий комп’ютер, використовуючи двовимірні (2D) матеріали — речовини товщиною лише в один атом, які зберігають свої властивості навіть у такому екстремальному масштабі, на відміну від кремнію. Розроблений ними комп’ютер здатний виконувати базові операції, що свідчить про суттєвий зсув у матеріалах, які використовуються в електроніці.

Результати дослідження, опубліковані в журналі Nature, знаменують собою значний крок уперед у створенні тонших, швидших і енергоефективніших електронних систем. Команда розробила комплементарний металооксидний напівпровідниковий (КМОП) комп’ютер — основну технологію, яку застосовують майже у всіх сучасних електронних пристроях — без використання кремнію.

Замість цього вони поєднали два різні 2D-матеріали для створення необхідних транзисторів, що регулюють електричний струм у КМОП-схемах: дисульфід молібдену для n-транзисторів і диселенід вольфраму для p-транзисторів.

«Кремній десятиліттями стимулював вражаючі досягнення в електроніці, забезпечуючи безперервну мініатюризацію польових транзисторів (ПТ), — сказав Саптарші Дас, професор інженерії та механіки в Університеті штату Пенсильванія, який керував дослідженням. ПТ контролюють струм за допомогою електричного поля, що виникає під час подачі напруги. Однак, коли кремнієві пристрої зменшуються, їхня продуктивність починає погіршуватися. Двовимірні матеріали, навпаки, зберігають свої виняткові електронні властивості навіть за атомної товщини, що відкриває багатообіцяючий шлях уперед».

Дас пояснив, що технологія КМОП вимагає спільної роботи напівпровідників n-типу та p-типу для досягнення високої продуктивності при низькому енергоспоживанні — ключова проблема, яка заважала подолати обмеження кремнієвих технологій. Хоча попередні дослідження демонстрували невеликі схеми на основі 2D-матеріалів, масштабування до складних функціональних комп’ютерів залишалося недосяжним, зазначив Дас.

«Це ключовий прорив нашої роботи, — підкреслив Дас. — Ми вперше продемонстрували КМОП-комп’ютер, створений повністю з 2D-матеріалів, поєднавши транзистори з великою площею вирощування дисульфіду молібдену та диселеніду вольфраму».

Команда використала металоорганічне хімічне осадження з парової фази (MOCVD) — процес, який передбачає випаровування інгредієнтів, ініціювання хімічної реакції та нанесення продуктів на підкладку — для вирощування великих шарів дисульфіду молібдену та диселеніду вольфраму й виготовлення понад тисячі транзисторів кожного типу. Завдяки ретельному налаштуванню етапів виготовлення пристрою та постобробки вони змогли регулювати порогові напруги як n-, так і p-транзисторів, що дозволило створити повнофункціональні логічні схеми КМОП.

«Наш 2D КМОП-комп’ютер працює при низькій напрузі живлення, споживає мінімум енергії та може виконувати прості логічні операції на частотах до 25 кілогерц», — зазначив перший автор дослідження Субір Гхош, докторант кафедри інженерних наук та механіки під керівництвом Даса.

Гхош уточнив, що робоча частота є низькою порівняно зі звичайними кремнієвими КМОП-схемами, але їхній комп’ютер, відомий як комп’ютер з одним набором команд, все ж здатен виконувати базові обчислення.

«Ми також розробили обчислювальну модель, відкалібровану за експериментальними даними з урахуванням варіацій між пристроями, щоб спрогнозувати продуктивність нашого 2D КМОП-комп’ютера та порівняти її з найсучаснішими кремнієвими технологіями», — додав Гхош. «Хоча ще є простір для оптимізації, ця робота є важливою віхою у використанні 2D-матеріалів для розвитку електроніки».

Дас зазначив, що для широкого впровадження 2D КМОП-комп’ютерів потрібна додаткова робота, але підкреслив, що галузь розвивається надзвичайно швидко порівняно з еволюцією кремнієвих технологій.

«Кремнієві технології розвиваються вже близько 80 років, тоді як дослідження двовимірних матеріалів почалися лише приблизно у 2010 році, — сказав Дас. — Ми очікуємо, що створення двовимірних комп’ютерів також буде поступовим процесом, але це безперечний стрибок уперед порівняно з еволюцією кремнію».