- Co się stało: Zespół kierowany przez Penn State zbudował pierwszy działający „komputer” CMOS wykonany całkowicie z materiałów dwuwymiarowych (2D)—bez użycia krzemu. To minimalistyczny „komputer z jednym zestawem instrukcji” (OISC), a nie procesor klasy laptopa. psu.edu
- Materiały: n‑typowy disiarczek molibdenu (MoS₂) i p‑typowy diselenek wolframu (WSe₂)—każdy grubości jednego atomu. psu.edu
- Jak to zrobili: Wzrost MOCVD w skali wafla MoS₂ i WSe₂; inżynieria urządzeń w celu wyrównania napięć progowych n/p dla prawdziwej 2D logiki CMOS. psu.edu
- Skala: >2 000 tranzystorów w sumie zostało wytworzonych na potrzeby demonstracji (ponad 1 000 każdego typu). ScienceDaily
- Wydajność obecnie: Działa poniżej 3 V, do ~25 kHz, z zakresem mocy w pikowatach i ~100 pJ energii przełączania—wydajność jako dowód koncepcji, nie prędkość. Nature
- Dlaczego to ważne: Udowadnia, że w pełni komplementarny 2D CMOS można zbudować i uruchomić w skali wafla—kluczowy krok w kierunku logiki po-krzemowej oraz ultracienkiej, niskomocowej elektroniki. psu.edu
- Co dalej: Zespół raportuje ~95% sprawności funkcjonalnej na 2‑calowym waflu z szafiru i przewiduje potencjał wielo-GHz, jeśli zostanie zredukowana pojemność pasożytnicza; najbliższe zastosowania mogą obejmować edge AI, elektronikę neuromorficzną i elastyczną. The Register
- Recenzowane naukowo: Wyniki opublikowane 11 czerwca 2025 w Nature. Nature
Historia powstania pierwszego na świecie komputera CMOS 2D bez krzemu
Pierwszy raz, który naprawdę ma znaczenie: komplementarna logika 2D w skali
Od lat naukowcy prezentowali pojedyncze tranzystory 2D i małe bramki logiczne. To, co teraz osiągnął zespół z Penn State, to przekroczenie progu CMOS—zintegrowali zarówno tranzystory polowe typu n, jak i typu p 2D w działającym systemie obliczeniowym bez użycia krzemu. To „zarówno” jest kluczowe, ponieważ nowoczesna elektronika cyfrowa opiera się na komplementarnych parach, aby osiągnąć wysoką wydajność przy niskim poborze mocy. Tutaj MoS₂ dostarcza urządzenia typu n, a WSe₂ typu p, oba wyhodowane jako filmy o dużej powierzchni, a następnie tak zaprojektowane, by ich napięcia progowe były wyrównane, tworząc stabilną logikę. psu.eduZespół wyprodukował ponad tysiąc tranzystorów każdego typu polaryzacji używając chemicznego osadzania z fazy gazowej związków metaloorganicznych (MOCVD) i połączył je w funkcjonalne układy CMOS. To nie są tylko pojedyncze inwertery na stole laboratoryjnym; to demonstracja na skalę całego wafla, że komplementarna elektronika 2D może działać jako zintegrowany system. psu.edu
Co dokładnie zbudowali? Komputer z jedną instrukcją
Nazywanie tego „komputerem” może być mylące, jeśli wyobrażasz sobie procesor biurkowy. Układ realizuje OISC (komputer z jednym zestawem instrukcji)—minimalistyczną architekturę, która udowadnia, że obliczenia Turinga są możliwe przy użyciu jednej instrukcji (często wariantu odejmowania i skoku). OISC są doskonałymi platformami testowymi dla nowych technologii, ponieważ wykorzystują logikę, sterowanie przepływem i dostęp do pamięci bez konieczności użycia milionów tranzystorów. OISC z Penn State działa przy napięciu poniżej 3 V i osiąga ~25 kHz, ograniczone głównie przez pojemności pasożytnicze na wczesnym etapie integracji. Ten kompromis jest zamierzony: priorytetem jest energia na przełączenie (na poziomie pikowatów, ~100 pJ na przełączenie) oraz funkcjonalne zachowanie CMOS, a nie surowa częstotliwość zegara. Nature
Jak im się to udało
Wyróżniają się trzy techniczne rozwiązania:
- Wzrost 2D na skalę wafla (MOCVD). Hodowanie dużych, jednorodnych filmów MoS₂ (typ n) i WSe₂ (typ p) umożliwia uzyskanie setek do tysięcy urządzeń na tym samym waflu. psu.edu
- Dostrajanie napięcia progowego i upływu. Dzięki skalowaniu kanału, wysokimκ dielektrykom bramkowym i obróbce końcowej, zespół wyrównał progi n/p, zwiększył prąd sterujący i ograniczył upływ podprogowowy—czyniąc prawdziwą logikę CMOS 2D praktyczną przy niskich napięciach. Nature
- Walidacja na poziomie systemu. Nie zatrzymali się na bramkach: złożyli logikę kombinacyjną i sekwencyjną w działający OISC, a następnie przetestowali wydajność za pomocą modelu kompatybilnego ze SPICE, skalibrowanego do danych eksperymentalnych. Nature
Jak bardzo „pierwszy” jest ten pierwszy?
W kwietniu 2025 roku inna grupa poinformowała o 32‑bitowym mikroprocesorze RISC‑V zbudowanym z 5900 tranzystorów MoS₂, co stanowi znaczący skok w integracji 2D. Jednak ten projekt nie wykazał platformy CMOS 2D całkowicie bez krzemu, w pełni komplementarnej z użyciem zarówno półprzewodników 2D typu n, jak i p. Wynik Penn State to pierwsza realizacja działającego komputera CMOS wykonanego w całości z materiałów 2D, dlatego uczelnia — i abstrakt Nature — przedstawiają to jako odrębny kamień milowy. Chip RISC‑V można traktować jako szerokość integracji z urządzeniami 2D, a OISC Penn State jako głębokość w komplementarnym CMOS 2D i funkcjonalność systemową bez krzemu. Nature
Wydajność dziś kontra potencjał w przyszłości
Dzisiejsze ~25 kHz i poniżej 3 V nie zagrożą procesorom krzemowym, ale profil energetyczny już jest przekonujący, a droga do zwiększenia szybkości jest jasna: zmniejszyć pojemności pasożytnicze i dążyć do dalszej miniaturyzacji urządzeń. W wywiadzie uzupełniającym zespół podał ~95% sprawności funkcjonalnej na 2‑calowym waflu szafirowym, a symulacje sugerują, że po opanowaniu pasożytów opóźnienia bramki ~200 ps (~5 GHz) mogą być osiągalne — to ambitny, ale nie niemożliwy cel wraz z dojrzewaniem materiałów, styków i połączeń. The Register
Dlaczego materiały 2D zmieniają zasady gry
Półprzewodniki 2D zachowują swoje właściwości przy grubości atomowej, ograniczając efekty krótkiego kanału, które nękają ultra‑miniaturowy krzem, i umożliwiają nowatorskie układanie i integrację (w tym monolityczne 3D), ponieważ warstwy można składać bez ograniczeń sieci krystalicznej materiałów masowych. Te cechy wskazują na ultracienką, niskomocową logikę i potencjalnie nowe architektury systemów, w których czujniki, pamięć i obliczenia współistnieją w przestrzeni. psu.edu
Realistyczne zastosowania w najbliższym czasie
Nawet zanim pojawi się logika 2D z wieloma GHz, wykazana zgodność z CMOS, niskie zużycie energii i ekstremalna cienkość czynią tę platformę atrakcyjną dla specjalistycznych, ograniczonych zasobami zastosowań — na przykład akceleratorów AI na brzegu sieci, sprzętu neuromorficznego i elastycznych/systemów do noszenia, gdzie energia i rozmiar są ważniejsze niż surowa częstotliwość zegara. To tam zespół Penn State spodziewa się pierwszych sukcesów. The Register
Kto wykonał pracę, gdzie i kiedy
Badania — prowadzone przez Saptarshi Das z pierwszym autorem Subir Ghosh — w dużej mierze opierały się na 2D Crystal Consortium–Materials Innovation Platform Penn State, będącej częścią ekosystemu Materials Research Institute tej uczelni. Artykuł, „A complementary two‑dimensional material‑based one instruction set computer”, ukazał się w Nature w dniu 11 czerwca 2025. Finansowanie pochodziło z U.S. NSF, Army Research Office oraz Office of Naval Research. psu.edu
Co oglądać dalej
- Pasożyty i połączenia. Spodziewaj się szybkich postępów w zakresie kontaktów, dielektryków i okablowania, aby zwiększyć szybkość przy zachowaniu przewagi energetycznej. Nature
- Skalowanie i wydajność. Zgłoszone wydajności na poziomie wafla są obiecujące; automatyzacja etapów wyrównywania i transferu to kolejna przeszkoda przemysłowa. The Register
- Złożoność systemu. Przejście od OISC do bogatszych zestawów instrukcji i pamięci na chipie przetestuje kontrolę zmienności i biblioteki projektowe dla 2D CMOS. The Register
- Kontekst w dziedzinie. Równoległe postępy — jak prototyp MoS₂‑based 32‑bit RISC‑V — pokazują, że logika 2D szybko się rozwija na wielu frontach. Nature
Sedno sprawy
Urządzenie Penn State nie jest jeszcze „końcem krzemu” — ale jest to pierwszy w pełni 2D, wolny od krzemu komputer CMOS, który przekroczył linię mety w recenzowanej literaturze. To czyni go prawdziwym kamieniem milowym: potwierdza materiały, procesy i techniki układowe potrzebne do komplementarnej logiki 2D w skali wafla i wyznacza wiarygodną ścieżkę do ultracienkiej, ultraefektywnej elektroniki, której po prostu nie da się zbudować z masywnego krzemu. psu.edu
Źródła
Komunikat prasowy Penn State; artykuł i abstrakt w Nature; podsumowania ScienceDaily i SciTechDaily; relacje i cytaty w wywiadzie dla The Register; oraz tło dotyczące OISC. Wikipedia
