Новий 2D CMOS-комп’ютер працює на низькій напрузі та виконує логічні операції, що є важливим кроком вперед за межі кремнію. Кремній є ключовим елементом напівпровідникових технологій, що використовуються в смартфонах, комп’ютерах, електромобілях тощо. Однак, у найближчі роки цей матеріал може втратити свою позицію найважливішого матеріалу для цієї технології. Команда дослідників з Університету штату Пенсильванія використала 2D-матеріали для створення комп’ютера, здатного виконувати прості операції. Ці 2D-матеріали товстіші порівняно з кремнієм, а також здатні зберігати свої властивості в великих масштабах. Цей розвиток являє собою значний зсув у бік використання швидших, тонших та ефективніших матеріалів.
Як вони створили комп’ютер?
Дослідники створили комплементарний CMOS-комп’ютер без використання кремнію в процесі. Натомість вони використали два різні 2D-матеріали для розробки двох типів транзисторів: дисульфід молібдену для n-транзисторів та диселенід вольфраму для p-транзисторів.
«Кремній десятиліттями стимулював вражаючі досягнення в електроніці, забезпечуючи безперервну мініатюризацію польових транзисторів (FET)», — сказав Саптарші Дас, професор інженерії в Аклі.
Польові транзистори керують потоком струму, який виникає при застосуванні напруги за допомогою електричного поля.
«Однак, оскільки кремнієві пристрої зменшуються, їхня продуктивність починає погіршуватися. Двовимірні матеріали, навпаки, зберігають свої виняткові електронні властивості при атомній товщині, що пропонує багатообіцяючий шлях уперед».
Розшифрування технології CMOS
Технологія CMOS вимагала спільної роботи напівпровідників n- та p-типу для досягнення високої продуктивності при низькому енергоспоживанні. Це є серйозною проблемою для дослідників у їхній спробі замінити кремній іншим матеріалом. До цього двовимірні матеріали ефективно використовувалися в невеликих схемах, проте масштабування до складних та функціональних комп’ютерів залишалося далекою мрією.
«Це ключовий прогрес нашої роботи», – сказав Дас. «Ми вперше продемонстрували CMOS-комп’ютер, побудований повністю з 2D-матеріалів, поєднуючи транзистори з великою площею вирощування дисульфіду молібдену та диселеніду вольфраму».
Інновація, яка зробила це можливим
Команда використала металоорганічне хімічне осадження з парової фази (MOCVD) — процес виготовлення, який включає випаровування інгредієнтів, форсування хімічної реакції та нанесення продуктів на підкладку — для вирощування великих аркушів дисульфіду молібдену та диселеніду вольфраму та виготовлення понад 1000 транзисторів кожного типу. Вони змогли регулювати порогові напруги обох типів транзисторів, ретельно налаштовуючи виготовлення пристрою та етапи постобробки. Це дозволило створити повністю функціональні логічні схеми на основі КМОП.
«Наш 2D CMOS-комп’ютер працює при низькій напрузі живлення з мінімальним споживанням енергії та може виконувати прості логічні операції на частотах до 25 кілогерц», — сказав перший автор Субір Гхош, докторант, який здобуває ступінь з інженерних наук та механіки під керівництвом Даса.
Гхош також зауважив, що комп’ютер працює повільніше, ніж звичайні кремнієві CMOS-схеми, але він все ще може виконувати основні логічні операції, використовуючи лише один тип інструкцій.
«Ми також розробили обчислювальну модель, відкалібровану з використанням експериментальних даних та враховуючи варіації між пристроями, щоб спрогнозувати продуктивність нашого 2D CMOS-комп’ютера та порівняти її з найсучаснішою кремнієвою технологією», – сказав Гхош. «Хоча все ще існують можливості для подальшої оптимізації, ця робота знаменує собою значну віху у використанні 2D-матеріалів для розвитку галузі електроніки».
Дас також пояснив, що потрібна додаткова робота над розробкою 2D CMOS-комп’ютера для широкого використання.
«Кремнієві технології розробляються вже близько 80 років, але дослідження двовимірних матеріалів є відносно новими, вони по-справжньому розпочалися лише приблизно у 2010 році», – заявив Дас. «Ми очікуємо, що розробка двовимірних комп’ютерів на матеріалах також буде поступовим процесом, але це стрибок уперед порівняно з траєкторією розвитку кремнію».
Гхош і Дас відзначили, що Платформа інновацій матеріалів 2D Crystal Consortium (2DCC-MIP) в Університеті штату Пенсильванія надала необхідні засоби та інструменти для демонстрації свого підходу. Дослідження було опубліковано в журналі Nature.