В Китае сделали двумерный процессор без кремния. Что это меняет?

Более полувека закон Мура был путеводной звездой для всей индустрии микроэлектроники. Производители знали, что могут удваивать количество транзисторов на чипе каждые два года, обеспечивая рост производительности и снижение стоимости, и в ус не дули. Однако к началу 2020-х годов стало очевидно: физические ограничения кремния ставят дальнейший прогресс под угрозу. Поэтому в поисках выхода из тупика ученые начали активно изучать альтернативные материалы, способные заменить кремний, в том числе дисульфид молибдена, который уже продемонстрировал свою жизнеспособность в создании процессоров нового поколения.

Проблемы кремниевых процессоров

Кремний десятилетиями оставался основным материалом для полупроводников благодаря своей доступности, стабильности и уникальным свойствам. Однако с переходом на техпроцессы в 5 нм и меньше начали проявляться серьезные проблемы:  

1. Утечка тока, повышенное энергопотребление, нестабильность работы транзисторов и снижение их надежности.

2. Тепловыделение из-за высокой плотности транзисторов.  

3. Высокая стоимость разработки новых техпроцессов, которая растет по мере снижения техпроцесса, делая производство менее рентабельным.  

Причем дороговизна является далеко не последним фактором. Возьмем Snapdragon 8 Elite — флагманский чип для Android-смартфонов 2025 года. По данным из открытых источников, его производство на 3-нм техпроцессе TSMC обходится в $180 за штуку, что на 15% дороже предшественника на 4-нм. А, если сравнивать со стоимостью процессоров 6- или 7-летней давности, то разница и вовсе будет многократной. И все это без учета НИОКР. 

Что такое двумерные процессоры

В отличие от кремния, который считается трехмерным, двумерные материалы, такие как дисульфид молибдена, предлагают радикально новый подход к созданию транзисторов. MoS? состоит из атомарно тонких слоев молибдена и серы. Что это дает? На самом деле много чего:

• Во-первых, меньшую толщину: один слой MoS? имеет толщину всего 0,7 нм, что позволяет создавать сверхкомпактные транзисторы.  

• Во-вторых, широкую запрещенную зону: около 1,8 эВ — это предотвращает утечку тока при выключенном состоянии транзистора.  

• В-третьих, высокую степень подвижности электронов: это обеспечивает быструю работу устройств при минимальном энергопотреблении.  

Первый процессор без кремния 

Но разве кто-то делает бескремниевые процессоры? Ну, в коммерческих масштабах, конечно, нет. Однако исследователи из Университета Фудань в Китае представили первый в мире 32-битный процессор на основе дисульфида молибдена под названием WUJI. И этот чип стал настоящим прорывом в области двумерной электроники.  

Чем он так хорош:  

• Архитектура: RISC-V — открытый стандарт для проектирования процессоров.  

• Количество транзисторов: 5 900 — значительно меньше по сравнению с современными кремниевыми чипами (предыдущие опыты давали худший результат).  

• Тактовая частота: 10 кГц — пока недостаточно для сложных вычислений.  

• Энергопотребление: менее 0,3 мкВт — невероятно низкий показатель даже для микроконтроллеров.

Несмотря на ограниченную производительность, которой еще далеко до, скажем, Ryzen 7 7800X3D, WUJI демонстрирует жизнеспособность технологии двумерных материалов в реальных устройствах. А, если вспомнить, что это только проба пера, все вопросы и вовсе отпадают.

Минусы молибденовых процессоров

Впрочем, без сложностей, конечно, не обошлось. Главной проблемой при создании плат на основе MoS? на данном этапе развития технологии является высокий процент производственного брака. Для их получения используется метод химического осаждения из газовой фазы (CVD). Однако даже при высокоточных настройках процесса около 30% пластин имеют дефекты кристаллической решетки, что снижает надежность транзисторов. 

Решением может стать использование машинного обучения для оптимизации параметров производства. Нейросети анализируют тысячи экспериментов и помогают находить идеальные условия для выращивания материала. А раз ИИ даже качество графики в играх повышает, почему бы не использовать его для чего-то по-настоящему важного?

Еще одна сложность связана с интеграцией MoS? с другими компонентами чипа. Например, выбор контактных металлов (золото или алюминий) влияет на эффективность работы транзисторов и их пороговое напряжение. Но, чтобы продолжить соответствующие эксперименты, ученым необходимо снизить процент брака.

Зачем нужны двумерные процессоры?  

Хотя текущие прототипы двумерных процессоров уступают кремниевым чипам по производительности, у них есть уникальные преимущества:

• Радиационная стойкость. Устройства на основе MoS? сохраняют работоспособность даже после сильного облучения, что делает их идеальными для космических аппаратов и ядерной энергетики.

• Биоинтеграция. Благодаря минимальной толщине такие чипы можно использовать для создания имплантатов и сенсоров внутри организма человека.

• Энергоэффективность. Низкое энергопотребление открывает возможности для применения в Интернете вещей (IoT) и носимых устройствах.

Таким образом, переход от кремния к двумерным материалам — это не просто технологический шаг вперед, а фундаментальная трансформация всей индустрии микроэлектроники. И хотя путь к массовому внедрению таких решений еще предстоит пройти, уже сейчас ясно одно: будущее за материалами толщиной в один атом. А вот приживется ли в отрасли именно эта технология либо же рынок решит иначе, покажет время.