Forskare visar processorchip i 2D-material

En forskargrupp vid Technische Universität (TU) i Wien säger sig nu gjort ett genombrott då de lyckats tillverka en mikroprocessor med 115 transistorer i 2D-materialet molybdendisulfid. Mikroprocessorer baserade på atomtunna material kan i en framtid komma att ersätta dagens traditionella kiselprocessorer. Elektronik i tvådimensionella material förväntas också kunna bidra till helt nya tillämpningar inom flexibel elektronik men hittills har forskarna inte lyckats skapa mer komplexa strukturer - det vill säga fram tills nu. Forskare vid Technische Universität (TU) i Wien har nämligen tagit fram en 1-bits mikroprocessor uppbyggd av 115 transistorer i det tvådimensionella materialet molybdendisulfid (MoS2). Grafen är som bekant det mest kända 2D-materialet men även molybdendisulfid (en tre atomlager tunn film som består av molybden- och svavelatomer) faller inom ramen för den här kategorin och till skillnad från grafen har molybdendisulfid också halvledaregenskaper. Med sitt team har Thomas Mueller, forskare på 2D-material vid Photonics Institute på TU Wien, visat upp ett lovande alternativ för framtida produktion av mikroprocessorer och andra integrerade kretsar i MoS2. Forskningen på enskilda transistorer i 2D-material har pågått sedan grafen först upptäcktes 2004, men att skapa mer komplexa strukturer har hittills visat sig vara svårt. Fram tills nu har det enligt forskarna vid TU i Wien bara varit möjligt att producera individuella digitala komponenter med ett begränsat antal transistorer. För att skapa en mikroprocessor som arbetar oberoende är det emellertid mycket mer komplexa kretsar som erfordras och som dessutom behöver interagera felfritt. Thomas Mueller och hans team säger sig nu för första gången lyckats uppnå just detta. Resultatet är en 1-bits mikroprocessor som består av 115 transistorer över en ytarea på omkring 0,6 mm2 och som kan exekvera enklare program. Processorn klockas med frekvenser på mellan 2 kHz och 20 kHz och den totala effektförbrukningen är enligt forskarna cirka 60 μW. – Även om det här naturligtvis kan tyckas blygsamt jämfört med industristandarder baserade på kisel är detta fortfarande ett stort genombrott inom det här forskningsfältet. Nu när vi har ett "proof of concept" finns det i princip ingen anledning till att en fortsatt utveckling inte kan ske, säger Stefan Wachter, doktorand i Dr Muellers forskargrupp. Det var dock inte bara valet av material som varit viktigt för projektet. – Vi övervägde också noga dimensionerna hos de enskilda transistorerna, säger Mueller. De exakta förhållandena mellan transistorgeometrier inom en grundläggande kretskomponent är en kritisk faktor för att kunna skapa och kaskadkoppla mer komplexa enheter. Förutom reproducerbarhet är det utbytet vid framställningen av komponenter som är forskarnas stora utmaning. Även om utbytet för subenheter var hög (till exempel var cirka 80 % av alla ALU:er fullt funktionella) resulterade komplexiteten hos hela kretsen, tillsammans med en icke feltolerant design, att det totala utbytet stannade på några få procent av en fullt fungerande enhet. Enligt forskarna var huvudkällan till problemen brister i MoS2-filmen som huvudsakligen orsakades i överföringen av strukturerna från safirsubstratet till målsubstratet, något som skulle kunna undvikas genom att växa strukturerna direkt på målsubstratet. Förutom det här ser forskarna inte några hinder att skala upp deras 1-bitarsdesign till att hantera multi-bitsdata. Men det säger sig självt att betydligt mer kraftfulla och komplexa kretsar med tusentals eller till och med miljontals transistorer kommer att krävas för att få till praktiska tillämpningar. När allt kommer omkring befinner sig både produktionen av 2D-material och metoder för att bearbeta materialen vidare i ett mycket tidigt skede. – Eftersom våra kretsar gjordes mer eller mindre för hand i labbet är sådana komplexa konstruktioner naturligtvis mycket bortom vår förmåga. Varenda en av transistorerna måste fungera som planerat för att processorn ska fungera som en helhet, säger Mueller och betonar de stora krav som ställs på state-of-the-art elektronik. Men forskarna är övertygade om att industriella metoder skulle kunna öppna upp nya användningsområden för denna teknik under de närmaste åren. Ett sådant exempel på applikationer skulle kunna vara den flexibla elektronik som krävs för medicinska sensorer och flexibla displayer. I dessa fall är 2D-material mycket mer lämpliga att använda än kisel på grund av deras väsentligt mycket större mekaniska flexibilitet. För den som vill djupdyka i ämnet så finns mer information från forskargruppen publicerat här.