全球首台二维材料计算机问世

全球首台二维材料计算机问世，挑战硅芯霸权。

这个基于2D分子的计算机的概念图显示了宾夕法尼亚州立大学研究人员的一个团队制造的计算机的实际扫描电子显微镜图像。键盘上突出显示了标有二硫化钼和二硒化钨缩写的按键，代表了用于开发计算机晶体管的两种2D材料。

在传统半导体领域，硅被誉为“电子世界的国王”。它推动了智能手机、计算机、电动车等技术飞速发展。但如今，这位“国王”的王冠可能开始动摇。在宾夕法尼亚州立大学(Penn State)领衔的一项突破性研究中，研究人员首次用仅原子厚度的二维材料，制造出一台可以进行基础运算的计算机。

这项成果刚刚发表于《自然》杂志。它标志着电子设备向更薄、更快、更节能方向迈出关键一步。研究团队成功制造出一种无需依赖硅的互补金属氧化物半导体(CMOS)计算机——CMOS技术是现代电子设备的核心。他们采用两种不同的二维材料分别构建了n型与p型晶体管，用于控制电流流动：n型晶体管使用二硫化钼，p型晶体管则采用二硒化钨。

Penn State工程学教授Saptarshi Das解释说，过去几十年，硅之所以能带来电子技术的飞跃，在于它推动了场效应晶体管的不断微型化。场效应晶体管通过施加电压产生电场，从而控制电流流动。但随着硅器件不断缩小，它们的性能开始出现下降。而二维材料即使薄到原子级别，仍能保持优异的电子性能，因此成为可能的接班人。

Subir Ghosh(左)和Saptarshi Das(右)领导的团队开发了一种能够进行简单操作的无硅互补金属氧化物半导体计算机。它们之间显示的是一个制造计算机的显微镜图像。

Das指出，CMOS架构要求n型与p型半导体协同工作，这一直是摆脱硅依赖的最大挑战。虽然过去已有研究用二维材料制作出简单电路，但想构建出完整的、能运行的计算机系统，一直是个难题。

“我们这次的关键突破，就是第一次用二维材料构建出完整的CMOS计算机。”Das说。他们通过金属有机化学气相沉积法(MOCVD)制造出大面积的二硫化钼和二硒化钨薄膜，并用这些材料制作出上千个晶体管。在精确调整制造和处理工艺后，团队实现了n型与p型晶体管的电压阈值控制，从而构建出完整的CMOS逻辑电路。

该论文第一作者、Das指导下的博士生Subir Ghosh介绍，这台二维计算机在低电压下运行，功耗极低，能以每秒2.5万次的频率执行基础逻辑运算。虽然运算速度比不上传统的硅CMOS电路，但它已经可以胜任“一指令集计算机”的基本功能。

团队还建立了一个模拟模型，结合实验数据与器件差异，用以预测这台计算机的表现，并与目前最先进的硅技术进行了对比。Ghosh表示，这项成果是二维材料在电子应用领域的一次关键里程碑，尽管还有很多可优化空间，但它的意义不可小觑。

Das也强调，想让二维CMOS计算机广泛应用，还需时间进一步打磨。不过相比硅技术经历的80年发展历程，二维材料的研究才刚刚起步，约从2010年才兴起。因此，他们这次的成果，已经是一大步跨越。

研究团队特别感谢Penn State的二维晶体材料创新平台(2DCC-MIP)，为他们提供了实现构想所需的设施与工具。Das本人同时也是材料研究院、电子工程系、材料科学与工程系成员。参与研究的还有Penn State工程科学与力学系的多位研究生、助理教授Yang Yang，以及Redwing教授与Chen Chen博士等。此外，还有来自印度理工学院与贾达夫布尔大学的研究人员也参与了论文撰写。

这项工作获得了美国国家科学基金会、陆军研究办公室与海军研究办公室的部分资助。