Инновация может положить начало новой эры в электронике, где кремний — традиционный материал для полупроводников — уступит место более тонким, быстрым и энергоэффективным альтернативам. Новая система построена на принципах комплементарной металл-оксидной полупроводниковой технологии (CMOS), которая лежит в основе всех современных электронных устройств, но вместо кремния в ней использованы два различных двумерных материала: дисульфид молибдена и диселенид вольфрама.
Главная особенность этих материалов заключается в том, что они сохраняют свои выдающиеся электронные свойства даже в толщинах, измеряемых в атомах, в отличие от кремния, чьи характеристики начинают ухудшаться по мере миниатюризации. Это делает двумерные материалы особенно привлекательными кандидатами для создания будущих поколений микросхем. Команда под руководством профессора Саптарши Даса смогла вырастить большие пластины указанных соединений при помощи метода металлоорганической химической осаждения из паровой фазы (MOCVD), что позволило изготовить более 1000 транзисторов каждого типа. Дисульфид молибдена был использован для создания n-типа транзисторов, а диселенид вольфрама — для p-типа, что и обеспечило возможность реализации полной CMOS-архитектуры.
Уникальность проекта заключается не только в выборе материалов, но и в его масштабности — раньше попытки создания схем на основе двумерных материалов ограничивались простыми структурами, которые не могли выполнять реальные вычислительные задачи. Новый компьютер, хотя и обладает невысокой тактовой частотой — до 25 килогерц, — все же способен выполнять логические операции, являясь так называемым компьютером с одной командой (one instruction set computer). Это доказывает, что двумерные материалы могут применяться не только в теоретических разработках, но и в практических вычислительных системах.
Первая версия 2D-компьютера показывает высокую энергоэффективность благодаря низкому рабочему напряжению и минимальному энергопотреблению. Ученые смогли спрогнозировать производительность устройства на основе экспериментальных данных и сравнить ее с современными кремниевыми аналогами. По словам Даса, им еще предстоит оптимизировать многие параметры, но достигнутый результат — значимый шаг вперед в направлении создания новой элементной базы для вычислительной техники.
Ученые подчеркивают, что развитие кремниевой технологии потребовало десятилетий, тогда как исследования в области двумерных материалов начались лишь в 2010-х годах. Тем не менее, прогресс в этой области развивается стремительно, и нынешнее достижение можно сравнить с темпами развития кремниевых транзисторов на раннем этапе их внедрения. Ученые уверены, что уже скоро будут созданы полноценные 2D-компьютеры, способные конкурировать с традиционными кремниевыми устройствами и даже превосходить их по ряду характеристик.
Тем временем группа китайских ученых анонсировала QiMeng — первую в мире систему проектирования микросхем, основанную на искусственном интеллекте.
