Вчені створили перший комп'ютер з двовимірних матеріалів

Дослідники з Університету Пенсільванії досягли прориву в галузі електроніки, створивши перший у світі функціональний комп'ютер на основі двовимірних матеріалів. Це досягнення може стати альтернативою традиційним кремнієвим технологіям, які наближаються до меж своїх можливостей.

Кремній протягом десятиліть забезпечував значний прогрес в електроніці завдяки можливості постійної мініатюризації польових транзисторів. Професор Саптарші Дас з Університету Пенсільванії пояснює, що польові транзистори контролюють потік струму за допомогою електричного поля, яке виникає при прикладанні напруги. Однак із зменшенням розмірів кремнієвих пристроїв їхня продуктивність починає погіршуватися.

Двовимірні матеріали, навпаки, зберігають свої винятково хороші електронні властивості навіть при атомній товщині, що робить їх перспективним шляхом розвитку технологій. Ці матеріали мають атомну товщину та високу рухливість носіїв заряду, що робить їх привабливою альтернативою кремнію.

У своєму комп'ютері на основі комплементарної технології метал-оксид-напівпровідник професор Дас та його колеги використали два різні двовимірні матеріали для створення обох типів транзисторів, необхідних для контролю потоку електричного струму. Для n-типу транзисторів використовувався дисульфід молібдену, а для p-типу — диселенід вольфраму.

Професор Дас підкреслює, що технологія КМОН потребує спільної роботи напівпровідників як n-типу, так і p-типу для досягнення високої продуктивності при низькому енергоспоживанні. Це ключовий виклик, який перешкоджав спробам вийти за межі кремнієвих технологій. Хоча попередні дослідження демонстрували невеликі схеми на основі двовимірних матеріалів, масштабування до складних функціональних комп'ютерів залишалося недосяжним.

Ключовим досягненням цієї роботи стала демонстрація першого КМОН-комп'ютера, побудованого повністю з двовимірних матеріалів, який поєднує транзистори з дисульфіду молібдену та диселеніду вольфраму, вирощених на великих площах.

For fabrication, researchers used metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) — a process that involves vaporizing ingredients, forcing a chemical reaction and depositing products onto a substrate. This method allowed them to grow large sheets of molybdenum disulfide and tungsten diselenide and fabricate over 1,000 transistors of each type.

Дослідники використовували металоорганічне хімічне осадження з парової фази — процес виготовлення, який включає випаровування інгредієнтів, примусову хімічну реакцію та осадження продуктів на підкладку. Цей метод дозволив їм виростити великі листи дисульфіду молібдену та диселеніду вольфраму і виготовити понад тисячу транзисторів кожного типу.

Шляхом ретельного налаштування процесу виготовлення пристроїв та етапів пост-обробки команда змогла відрегулювати порогові напруги як n-, так і p-типу транзисторів, що дозволило створити повністю функціональні логічні схеми КМОН.

Субір Гош, докторант Університету Пенсільванії, повідомляє, що їхній двовимірний КМОН-комп'ютер працює при низьких напругах живлення з мінімальним енергоспоживанням і може виконувати прості логічні операції на частотах до 25 кілогерц. Робоча частота є низькою порівняно з традиційними кремнієвими КМОН-схемами, але їхній комп'ютер, відомий як комп'ютер з одним набором інструкцій, все ще може виконувати прості логічні операції.

Команда також розробила обчислювальну модель, калібровану за допомогою експериментальних даних та з урахуванням варіацій між пристроями, щоб спрогнозувати продуктивність їхнього двовимірного КМОН-комп'ютера та порівняти його з найсучаснішими кремнієвими технологіями.

Хоча залишається простір для подальшої оптимізації, ця робота знаменує значний етап у використанні двовимірних матеріалів для розвитку галузі електроніки. Результати дослідження були опубліковані в журналі Nature, що підтверджує їхню наукову значущість та потенційний вплив на майбутній розвиток комп'ютерних технологій.