科技日報(bào)記者 張夢然

硅在支撐智能手機(jī)、電腦、電動(dòng)汽車等產(chǎn)品的半導(dǎo)體技術(shù)中一直占據(jù)著王者地位，但美國賓夕法尼亞州立大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，“硅王”的統(tǒng)治地位可能正在受到挑戰(zhàn)。該團(tuán)隊(duì)在最新一期《自然》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)突破性成果：他們首次利用二維材料制造出一臺(tái)能夠執(zhí)行簡單操作的計(jì)算機(jī)。這項(xiàng)研究標(biāo)志著向造出更薄、更快、更節(jié)能的電子產(chǎn)品邁出了重要一步。

此次開發(fā)的是一種互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）計(jì)算機(jī)。與以往不同的是，這次沒有使用硅，取而代之的是兩種二維材料：用于n型晶體管的二硫化鉬和用于p型晶體管的二硒化鎢。這兩種材料的厚度只有一個(gè)原子，在如此微小尺度下仍能保持優(yōu)異的電子性能，是硅所不具備的優(yōu)勢。

團(tuán)隊(duì)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)，生長出大面積的二硫化鉬和二硒化鎢薄膜，并分別制造出超過1000個(gè)n型和p型晶體管。通過精確調(diào)整制造工藝和后續(xù)處理步驟，團(tuán)隊(duì)成功調(diào)控了n型和p型晶體管的閾值電壓，從而構(gòu)建出功能完整的CMOS邏輯電路。

該二維CMOS計(jì)算機(jī)稱為“單指令集計(jì)算機(jī)”，可以在低電源電壓下運(yùn)行，功耗極低，并能在高達(dá)25千赫的頻率下執(zhí)行簡單的邏輯運(yùn)算。雖然目前的工作頻率低于傳統(tǒng)硅基CMOS電路，但該計(jì)算機(jī)依然能夠完成基本的計(jì)算任務(wù)。團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一個(gè)計(jì)算模型，使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)并結(jié)合設(shè)備之間的差異，以預(yù)測二維CMOS計(jì)算機(jī)的性能，并通過基準(zhǔn)測試將其與最先進(jìn)的硅技術(shù)進(jìn)行了對比。

團(tuán)隊(duì)表示，盡管還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，但這已經(jīng)是二維材料在電子領(lǐng)域應(yīng)用中的一個(gè)重要里程碑。這項(xiàng)研究成果不僅為下一代電子設(shè)備提供了全新的材料選擇，也為未來芯片設(shè)計(jì)開辟了新方向。

總編輯圈點(diǎn)

硅技術(shù)從上世紀(jì)40年代發(fā)展至今，已有約80年歷史，而二維材料真正引起廣泛關(guān)注是在2010年前后。幾十年來，硅通過不斷縮小場效應(yīng)晶體管（FET）尺寸，推動(dòng)了電子技術(shù)的巨大進(jìn)步，但隨著器件尺寸越來越小，硅的性能開始下降。而二維材料即使在原子級厚度下也能保持出色的電子特性，這為未來的發(fā)展提供了新的希望。很顯然，將本文這項(xiàng)技術(shù)推向廣泛應(yīng)用還需更多研究，但與硅技術(shù)漫長的發(fā)展歷程相比，二維材料計(jì)算機(jī)的發(fā)展速度遠(yuǎn)超硅技術(shù)早期階段，正在出現(xiàn)飛躍式的進(jìn)步。