To przełom w elektronice. Powstał pierwszy komputer bez krzemu

Badacze z Uniwersytetu Stanowego w Pensylwanii (Penn State) opracowali komputer wykorzystujący materiały 2D - o grubości jednego atomu i całkowicie rezygnujący z krzemu. Konstrukcja wykonana w architekturze CMOS realizuje podstawowe operacje logiczne, a autorzy podkreślają możliwą ścieżkę ku cieńszym, szybszym i bardziej energooszczędnym układom. Badania opublikowali w naukowym czasopiśmie "Nature".

Materiały 2D lepsze od krzemu?

Zespół połączył dwa różne półprzewodniki 2D do zbudowania tranzystorów. Dzięki temu udało się skonfigurować w pełni funkcjonalne układy CMOS (to technologia produkcji układów scalonych - układów z elementami elektronicznymi połączonych wewnątrz jednej płytki półprzewodnikowej - najczęściej z krzemu - do produkcji procesorów, mikrokontrolerów, pamięci). Są one zdolne do pracy przy niskim napięciu z minimalnym poborem mocy. "Krzem od dziesięcioleci napędza niezwykły postęp w elektronice, umożliwiając ciągłą miniaturyzację tranzystorów polowych (FET)" – powiedział Saptarshi Das, profesor inżynierii na Uniwersytecie Ackley oraz profesor nauk inżynieryjnych i mechaniki na Uniwersytecie Stanowym Pensylwanii, który kierował badaniami.

Tranzystory FET kontrolują przepływ prądu za pomocą pola elektrycznego, które powstaje po przyłożeniu napięcia. "Jednak wraz ze zmniejszaniem się rozmiarów układów krzemowych ich wydajność zaczyna spadać. Materiały dwuwymiarowe natomiast zachowują swoje wyjątkowe właściwości elektroniczne na poziomie grubości atomu, co stanowi obiecującą ścieżkę rozwoju" - dodał, cytowany przez portal SciTechDaily.

Obejrzyj w

Pierwszy komputer zbudowany w całości z materiałów 2D

Ta koncepcyjna ilustracja komputera opartego na cząsteczkach 2D przedstawia rzeczywisty obraz komputera, uzyskany za pomocą mikroskopu elektronowego, stworzonego przez zespół naukowców z Penn State. Klawiatura zawiera podświetlone klawisze oznaczone skrótami dwusiarczku molibdenu i dwuselenka wolframu, które reprezentują dwa materiały 2D użyte do budowy tranzystorów w komputerze. 

                                                                                  fot. Krishnendu Mukhopadhyay/Penn State

Prof. Das wyjaśnił, że wysoka sprawność przy niskim zużyciu energii w technologii CMOS wymaga jednoczesnego wykorzystania półprzewodników n- i p-typu — to warunek, który przez lata utrudniał odejście od krzemu. Wcześniejsze prace pokazywały proste obwody w oparciu o materiały 2D, ale zbudowanie złożonego, działającego komputera pozostawało poza zasięgiem. "To jest kluczowy postęp w naszej pracy. Po raz pierwszy zaprezentowaliśmy komputer CMOS zbudowany w całości z materiałów 2D, łączących tranzystory z dwusiarczku molibdenu i diselku wolframu hodowane na dużych powierzchniach" - przekazał Saptarshi Das.

Aby uzyskać duże powierzchnie materiałów 2D, zespół zastosował proces MOCVD, w którym reagenty są odparowywane, poddawane reakcji chemicznej i osadzane na podłożu. Wytworzono ponad 1 tys. tranzystorów każdego typu, a precyzyjna kontrola etapów wytwarzania i obróbki pozwoliła zestroić napięcia progowe, co otworzyło drogę do kompletnych bramek CMOS.

"Nasz komputer 2D CMOS działa przy niskim napięciu zasilania, minimalnym zużyciu energii i może wykonywać proste operacje logiczne z częstotliwościami do 25 kiloherców" – powiedział pierwszy autor, Subir Ghosh, doktorant realizujący studia inżynierskie i mechaniczne pod kierunkiem Dasa. Ghosh odpowiedział, że częstotliwość nowego układu jest niższa niż w klasycznych układach krzemowych, ale komputer – jako komputer z jednym zestawem instrukcji – nadal może wykonywać proste operacje logiczne.

"Opracowaliśmy również model obliczeniowy, skalibrowany przy użyciu danych eksperymentalnych i uwzględniający różnice między urządzeniami, aby prognozować wydajność naszego komputera 2D CMOS i porównać go z najnowocześniejszą technologią krzemową" – powiedział Ghosh. "Chociaż nadal istnieje możliwość dalszej optymalizacji, praca ta stanowi ważny kamień milowy w wykorzystaniu materiałów 2D do rozwoju elektroniki".

Badania nad materiałami 2D są prowadzone od niedawna

Naukowcy uważają, że konieczne są dalsze prace, by upowszechnić podejście oparte na materiałach 2D, ale zwrócił uwagę na tempo postępów na tle historii krzemu. Technologia krzemowa jest rozwijana od około 80 lat, ale badania nad materiałami 2D są stosunkowo nowe i rozpoczęły się dopiero około 2010 roku. Oczekują, że rozwój komputerów wykorzystujących materiały 2D będzie również stopniowy, choć to już teraz jest dużym krokiem naprzód w porównaniu z rozwojem krzemu.

Autorzy badań opublikowanych w „Nature” opisali komputer CMOS zbudowany całkowicie z materiałów dwuwymiarowych, z tranzystorami wytwarzanymi na dużych obszarach metodą MOCVD. W pracy wzięli udział badacze z Uniwersytetu w Pensylwanii oraz współautorzy z indyjskich instytucji. Zespół podkreślił, że eksperyment wsparły amerykańskie agencje finansujące, a kluczową infrastrukturę zapewniła 2D Crystal Consortium Materials Innovation Platform w Penn State. Redakcja wskazuje, że pierwotne doniesienia pochodzą z Import Ręczny, a szczegóły techniczne i bibliograficzne odnoszą się do publikacji w „Nature”.

Źródło: SciTechDaily, Nature