Кремний уже много лет правит бал в полупроводниковой индустрии, лежащей в основе смартфонов, компьютеров и электромобилей.

Но его эпоха, возможно, подходит к концу. Ученые из Университета Пенсильвании впервые создали компьютер, полностью состоящий из двумерных материалов — ультратонких структур толщиной в один атом.

В отличие от кремния, они сохраняют свои свойства даже на таком микроскопическом уровне.

Их разработка, опубликованная в журнале Nature, — шаг к более тонкой, быстрой и энергоэффективной электронике.

Команда построила КМОП-компьютер (технологию, которая есть почти в каждом современном устройстве), но без кремния.

Вместо него использовали два разных 2D-материала: дисульфид молибдена для n-транзисторов и диселенид вольфрама для p-транзисторов.

КМОП (CMOS) — технология изготовления микросхем, где используются пары транзисторов с разным типом проводимости (n и p). Это позволяет создавать энергоэффективные схемы, почти не потребляющие ток в состоянии покоя.

Кремний десятилетиями позволял уменьшать транзисторы, но на атомном уровне его свойства ухудшаются, — объясняет Саптарши Дас, руководитель исследования. — Двумерные материалы, напротив, работают идеально даже в таком масштабе.

Раньше создать полноценный компьютер на 2D-материалах не удавалось.

Мы впервые собрали КМОП-схему целиком из них, — говорит Дас. — Это ключевой прорыв.

Как это сделали:

• Вырастили большие листы дисульфида молибдена и диселенида вольфрама методом MOCVD (химическое осаждение из газовой фазы).
• Изготовили более 1000 транзисторов каждого типа.
• Настроили их так, чтобы они работали согласованно, как в обычных чипах.

Пока их компьютер выполняет простые операции на частоте до 25 кГц — медленнее, чем кремниевые аналоги. Но он потребляет мало энергии и доказывает: альтернатива возможна.

Кремний развивался 80 лет, а 2D-материалы изучают лишь с 2010-х, — говорит Дас. — Наш результат — огромный скачок.

Главное преимущество работы — потенциальный уход от физических ограничений кремния. Если 2D-материалы удастся масштабировать, это даст:

• Гибкую электронику — представьте смартфон, который можно свернуть в трубочку.
• Сверхнизкое энергопотребление — устройства будущего смогут работать годами без подзарядки.
• Новые типы датчиков — например, вживляемые в тело без вреда для тканей.

Пока это лабораторный прототип, но технология открывает двери для принципиально новых устройств.

Но нужно понимать, что частота 25 кГц — это крайне мало даже для IoT-устройств, не говоря о процессорах. Пока речь идет лишь о доказательстве концепции, а до массового производства — годы доработок. Кроме того, метод MOCVD сложен и дорог — нужно искать более дешевые способы синтеза.

Ранее в Финляндии запустили 50-кубитный компьютер.