Ensimmäinen 2D-piirinen tietokone ilman piitä

Penn Staten yliopiston tutkijoiden johtaman ryhmän mukaan piin kuningasasema puolijohdeteknologian saralla saattaa olla lipsumassa.

He käyttivät ensimmäistä kertaa maailmassa kaksiulotteisia (2D) materiaaleja kehittääkseen tietokoneen, joka kykenee yksinkertaisiin operaatioihin.

Tutkijoiden mukaan julkaistu kehitysaskeltutkimus edustaa merkittävää harppausta kohti ohuemman, nopeamman ja energiatehokkaamman elektroniikan toteuttamista.

He loivat komplementaarisen metallioksidipuolijohdetietokoneen (CMOS) – teknologian, joka on lähes jokaisen nykyaikaisen elektronisen laitteen ydin – ilman piitä. Sen sijaan he käyttivät kahta erilaista 2D-materiaalia kehittääkseen molemmat CMOS-tietokoneiden tarvitsemat transistorityypit: molybdeenidisulfidia n-tyypin transistoreille ja volframidiselenidia p-tyypin transistoreille.

”Pii on vuosikymmenten ajan vauhdittanut merkittäviä edistysaskeleita elektroniikassa mahdollistamalla kenttävaikutustransistoreiden (FET) jatkuvan pienentämisen”, sanoo professori Saptarshi Das, joka johti tutkimusta.

Das selitti, että CMOS-teknologia vaatii sekä n- että p-tyypin puolijohteiden yhteistyötä korkean suorituskyvyn saavuttamiseksi alhaisella virrankulutuksella – keskeinen haaste, joka on hidastanut piisirujen käyttöä. Vaikka aiemmat tutkimukset osoittivat pienten, 2D-materiaaleihin perustuvien piirien olemassaolon, skaalautuminen monimutkaisiin, toiminnallisiin tietokoneisiin on jäänyt Dasin mukaan saavuttamatta.

”Se on työmme tärkein edistysaskel”, Das vakuuttaa. ”Olemme ensimmäistä kertaa esitelleet CMOS-tietokoneen, joka on rakennettu kokonaan 2D-materiaaleista yhdistämällä laaja-alaisesti kasvatettuja molybdeenidisulfidi- ja volframidileniditransistoreja.”

Tiimi käytti metalli-orgaanista kemiallista höyrypinnoitusta (MOCVD) – valmistusprosessia, jossa ainesosat höyrystetään, pakotetaan kemiallinen reaktio ja tuotteet kerrostetaan alustalle – kasvattaakseen suuria molybdeenidisulfidi- ja volframidiselenidilevyjä ja valmistaakseen yli 1 000 kappaletta kumpaakin transistorityyppiä. Virittämällä huolellisesti laitteen valmistus- ja jälkikäsittelyvaiheita he pystyivät säätämään sekä n- että p-tyypin transistorien kynnysjännitteitä, mikä mahdollisti täysin toimivien CMOS-logiikkapiirien rakentamisen.

”2D CMOS -tietokoneemme toimii pienillä syöttöjännitteillä ja minimaalisella virrankulutuksella ja pystyy suorittamaan yksinkertaisia logiikkaoperaatioita jopa 25 kilohertsin taajuuksilla”, hehkuttaa ensimmäinen kirjoittaja Subir Ghosh.

Ghosh huomautti, että toimintataajuus on matala verrattuna perinteisiin piipohjaisiin CMOS-piireihin, mutta heidän tietokoneensa – joka tunnetaan yhden käskykannan tietokoneena – pystyy silti suorittamaan yksinkertaisia logiikkaoperaatioita.

”Kehitimme myös laskennallisen mallin, joka on kalibroitu kokeellisten tietojen avulla ja jossa on otettu huomioon laitteiden väliset vaihtelut, jotta voimme ennustaa 2D CMOS -tietokoneemme suorituskykyä ja vertailla sitä huippuluokan piiteknologiaan”, Ghosh sanoi. ”Vaikka optimoinnille on vielä tilaa, tämä työ on merkittävä virstanpylväs 2D-materiaalien valjastamisessa elektroniikan alan edistämiseksi.”

Aiheesta aiemmin:

More than Moore -konsepti

Materiaaleja tulevaisuuden transistoreille