Компьютер из материала толщиной в один атом: кремний впервые получил реального конкурента

Китайские исследователи собрали рабочий компьютер на основе двумерного полупроводника - дисульфида молибдена, MoS₂. На одном чипе разместили 1433 транзистора, соединённых четырьмя металлическими слоями. В проекте участвовали Нанкинский университет, Suzhou Laboratory и Huawei Technologies.

Интерес к таким материалам растёт из-за ограничений кремниевой электроники. Чем меньше становятся кремниевые транзисторы, тем сильнее мешают паразитные эффекты: ток начинает хуже контролироваться, а энергопотребление и нагрев становятся сложнее для инженеров. Двумерные полупроводники отличаются атомной толщиной. Канал транзистора в них можно сделать очень тонким, не теряя управление током так быстро, как в сильно уменьшенных кремниевых структурах.

Дисульфид молибдена давно рассматривают как один из кандидатов для электроники после кремния. Раньше из него чаще делали отдельные транзисторы, простые логические элементы или небольшие схемы. Новая работа важна именно масштабом: исследователи показали не один компонент, а целый вычислительный блок с процессором, регистрами и логикой управления.

Чип получил четырёхбитный параллельный процессор. Он выполняет восемь инструкций и включает четыре основных модуля: декодер команд, регистровый файл, арифметико-логическое устройство и мультиплексор. Декодер переводит команду в сигналы для схемы, регистровый файл хранит данные прямо на чипе, арифметико-логическое устройство выполняет вычисления, а мультиплексор направляет результат обратно в регистры.

Главное отличие от более ранних двумерных чипов - параллельная обработка нескольких битов. Прежние демонстрации часто работали последовательно и обрабатывали по одному биту. Здесь процессор работает сразу с четырьмя битами, поэтому выполняет операции быстрее для своего класса устройств. Частота остаётся лабораторной - один килогерц, но для этой области важнее сам переход от отдельных схем к более полноценной архитектуре.

Исследователи добились плотности около 9336 транзисторов на квадратный миллиметр. По словам авторов, этот уровень уже сопоставим с некоторыми кремниевыми устройствами, хотя до современных массовых процессоров с миллиардами транзисторов ещё далеко. Команда подчёркивает, что работа не заменяет кремний прямо сейчас, а показывает путь к более плотной и энергоэффективной электронике на основе атомно тонких материалов.

Ключом стала методика многоуровневой совместной оптимизации - MLCO. Инженеры подгоняли друг к другу не только сами транзисторы, но и стандартные логические ячейки, логический синтез и разводку межсоединений. Такой подход важен для двумерных материалов, потому что на больших площадях возникают дефекты и разброс характеристик между отдельными транзисторами. Без учёта этих отклонений собрать устойчивую схему из сотен и тысяч элементов трудно.

Авторы считают, что технология особенно полезна для вычислений рядом с источником данных, без постоянной передачи всего в облако. Речь может идти о датчиках, мобильных устройствах, промышленной электронике и системах, где важны низкое энергопотребление и компактность. Такие чипы пока не готовы к массовому производству, но демонстрация показывает, что двумерные полупроводники могут выйти за пределы отдельных лабораторных транзисторов.

Следующий этап - улучшить производство, повысить характеристики транзисторов и увеличить плотность схем. Команда планирует двигаться от тысяч транзисторов к десяткам тысяч, а затем к миллионам элементов на одном чипе. Исследователи также хотят сочетать двумерные материалы с зрелой кремниевой технологией, чтобы использовать сильные стороны обоих подходов.