Ученые из Китая представили необычный 32-битный процессор, созданный не из привычного кремния, а из дисульфида молибдена — материала толщиной всего в одну молекулу. Этот процессор, названный RV32-WUJI, работает медленно и не слишком эффективно, но его уникальность в том, что он открывает новые горизонты для технологий с использованием сверхтонких полупроводников.
Дисульфид молибдена (MoS2) — это материал, похожий на графен: он представляет собой плоский слой атомов, толщина которого чуть больше одного атома благодаря особому расположению химических связей. В отличие от графена, который отлично проводит электричество, MoS2 обладает свойствами полупроводника. Это делает его перспективным для электроники. Ранее из него уже создавали экспериментальные устройства, такие как флеш-память и датчики изображения. Теперь же исследователи смогли вырастить большие листы MoS2 на сапфировой подложке и использовали их для создания процессора с почти 6 тысячами транзисторов.
К так называемым двумерным (2D) материалам относятся вещества, атомы которых образуют связи преимущественно в одной плоскости. Например, графен состоит только из углерода и имеет толщину одного атома. В MoS2 связи между атомами молибдена и серы немного отклоняются от плоскости, из-за чего слой получается чуть толще, но все равно остается невероятно тонким. Электронные свойства таких материалов зависят только от структуры молекулы, а не от объема вещества, как в традиционных полупроводниках.
Команда разработчиков сделала ставку на совместимость с существующими технологиями производства кремниевых чипов, чтобы упростить процесс и, возможно, объединить новый материал с кремниевыми компонентами, однако работа с MoS2 оказалась непростой. В кремнии свойства транзисторов регулируют, добавляя примеси (так называемое легирование), но в одномолекулярном слое это невозможно. Все транзисторы в RV32-WUJI получились одного типа (n-типа), и их характеристики пришлось настраивать, используя разные металлы для проводки — алюминий и золото — и подбирая подходящие материалы для окружения проводов.
Для создания чипа ученые сначала изготовили множество отдельных устройств и с помощью машинного обучения определили, какие комбинации материалов и проводки обеспечивают нужные характеристики транзисторов. В итоге процессор собрали из 5900 транзисторов, которые поддерживают полный набор команд 32-битной архитектуры RISC-V. Чтобы все работало, исследователи протестировали 25 логических элементов, из которых 18 оказались пригодными для использования. Максимальная частота процессора ограничена килогерцами из-за задержек в передаче сигнала по самому длинному пути на чипе.
Процессор получился рабочим, но с некоторыми оговорками. Например, он может складывать два 32-битных числа, но делает это по одному биту за раз, тратя на операцию 32 цикла. Для хранения промежуточных результатов пришлось добавить буферы прямо на чип. Уровень выхода годных изделий при производстве составил более 99,9% для отдельных транзисторов и 99,8% для целых чипов. Однако сложные элементы, такие как 8-битные регистры, имели выход 71%, а 64-битные — всего 7%, так как для них требовалось 1152 транзистора.
