Разработка 2D-компьютера от Пенн Стейт стала важным достижением в сфере электронных исследований, рассказывает 24 Канал. Результаты работы были опубликованы в журнале Nature в июне 2025 года.

Смотрите также Наземные телескопы впервые зафиксировали поляризованное реликтовое излучение

Команда под руководством профессора Саптарши Даса создала компьютер на основе комплементарной металл-оксид-полупроводниковой технологии (CMOS), которая является основой большинства современных электронных устройств. Вместо традиционного кремния они использовали два разных 2D-материала атомной толщины: дисульфид молибдена для транзисторов n-типа и диселенид вольфрама для транзисторов p-типа.

Эта инновация решает ключевую проблему современной электроники – при уменьшении размеров кремниевых компонентов их производительность ухудшается. Зато 2D-материалы сохраняют свои уникальные электронные свойства даже на атомном уровне.

Исследователи изготовили более 2000 транзисторов, создав так называемый "компьютер с одним набором инструкций", который способен выполнять простые логические операции на частоте до 25 килогерц. Хотя эта скорость значительно ниже показателей кремниевых схем, достижение действительно важное, учитывая, что исследования 2D-материалов начались только около 2010 года, тогда как кремний развивался в течение 80 лет.

Команда также разработала вычислительные модели для сравнения своей технологии с современными кремниевыми решениями, демонстрируя потенциал для создания более тонких, быстрых и энергоэффективных электронных систем в будущем.

Эта работа стала возможной благодаря поддержке платформы 2D Crystal Consortium Materials Innovation Platform Университета Пенн Стейт, которая предоставила специализированное оборудование и инструменты для реализации этого прорыва.


Субир Гош (слева) и Саптарши Дас (справа) возглавили команду, которая разработала компьютер / Фото Penn State

Преимущества 2D-материалов над кремнием

Выбор командой Пенн Стейт дисульфида молибдена (MoS2) и диселенида вольфрама (WSe2) вместо кремния является фундаментальным изменением в архитектуре компьютеров. Эти двумерные материалы имеют значительные преимущества, особенно в контексте миниатюризации устройств.

Если кремний теряет эффективность на очень малых масштабах, то 2D-материалы сохраняют свои исключительные свойства даже при толщине в один атом, открывая новые горизонты для будущей электроники.

Для создания CMOS-архитектуры исследователи специально подобрали дисульфид молибдена для транзисторов n-типа и диселенид вольфрама для транзисторов p-типа. Такая комбинация является критически важной, поскольку CMOS-технология требует совместной работы полупроводников обоих типов для обеспечения высокой производительности при низком энергопотреблении.

Используя метод металл-органического химического осаждения из паровой фазы (MOCVD), команда вырастила большие пластины обоих материалов и создала более 1000 транзисторов каждого типа. Точная настройка процесса производства позволила отрегулировать пороговые напряжения, что обеспечило работу полноценных логических схем CMOS.

Эти материалы не просто заменяют кремний – они представляют совершенно новую парадигму в вычислительной технике, которая в будущем может привести к появлению значительно более тонких, более быстрых и энергоэффективных электронных устройств.

Перспективы применения 2D-материалов

2D-материалы, использованные в атомно тонком компьютере Пенн Стейт, открывают захватывающие возможности, выходящие за пределы традиционных вычислений. Такие переходные металлические дихалькогениды (TMD), как дисульфид молибдена и диселенид вольфрама, имеют уникальные оптоэлектронные свойства, что делают их идеальными для технологий следующего поколения.

  • Гибкая электроника: В отличие от жесткого кремния, эти 2D-материалы можно интегрировать в гибкие корпуса, что позволяет создавать действительно гибкие устройства и дисплеи.
  • Высокоскоростная электроника : высокоскоростная электроника: Прямая запретная зона в однослойных TMD (в диапазоне от 1,56 до 1,65 эВ для сплавов молибдена и вольфрама) делает их перспективными для сверхбыстрых вычислений.
  • Сбор энергии: Диселенид вольфрама демонстрирует потенциал в фотоэлектрических применениях, частности для преобразования солнечной энергии.
  • Химические и экологические датчики: Транзисторы с MoS2 и графена могут быть модифицированы для работы как химические сенсоры, что открывает возможности для создания "умной кожи", способной незаметно интегрироваться в среду и реагировать на нее.
  • Электрокатализ: Функционализированные MoSe2 и WSe2 показали повышенную активность в реакциях выделения водорода в кислотных и щелочных средах, что имеет потенциал для чистых энергетических технологий.

Хотя сейчас 2D-компьютер работает на частоте 25 килогерц с минимальным энергопотреблением, эти материалы имеют перспективы открыть новую эру в вычислительной технике. В будущем они могут превзойти кремний в специализированных приложениях, которые требуют чрезвычайной тонкости, гибкости или уникальных сенсорных возможностей.