Атомарно тонкі напівпровідники: Революційний 32-бітний процесор RISC-V за межами кремнію
У середу група дослідників з Китаю опублікувала революційну статтю в журналі Nature, в якій детально описується 32-бітний процесор RISC-V, створений з молібденового дисульфіду (MoS2) замість традиційного кремнію. Хоча поточна реалізація працює повільно та неефективно, вона є значним кроком вперед у інтеграції атомарно тонких напівпровідників у масове виробництво апаратного забезпечення. MoS2 — двовимірний матеріал, який лише трохи товстіший за один атомарний шар, демонструє обіцяючі можливості для створення інноваційної електроніки з ультранизьким споживанням енергії, що може бути застосована в сенсорах наступного покоління та вбудованих системах.
Відходження від кремнію: обіцянки та виклики MoS2
Дослідження використовує унікальні властивості MoS2, напівпровідникового матеріалу, що виникає внаслідок зсувного гексагонального укладання атомів молібдену та сірки. На відміну від графену, який є відмінним провідником завдяки своїй плоскій структурі, що складається лише з одного атома в товщину, MoS2 має заборонену зону, необхідну для напівпровідникових застосувань. Ця вроджена властивість робить його придатним для цифрових логічних компонентів, де контрольований перемикання є критично важливим.
Ключовим досягненням цієї роботи стало створення аркушів MoS2 на ваферному масштабі на сапфірових підкладках. Дослідники адаптували техніки, подібні до тих, що використовуються в виробництві кремнію, забезпечуючи сумісність з існуючими процесами виготовлення напівпровідників. Результуючий процесор, названий RV32-WUJI, складається з майже 6000 окремих транзисторів, здатних виконувати весь набір інструкцій 32-бітного RISC-V. Незважаючи на те, що він може правильно додавати 32-бітні числа, операція виконується по одному біту за раз, що призводить до тактових частот у діапазоні кілогерців.
Технічні особливості та інновації в дизайні
Однією з значних технічних труднощів стало неможливість виконання традиційного легування на атомарно тонкому напівпровіднику. У кремнієвих транзисторах імплантовані домішки дозволяють точно контролювати порогові напруги. Однак у випадку MoS2 дослідницька команда змушена була покладатися на точну інженерію на металічному інтерфейсі. Використовуючи різні метали, такі як алюміній та золото, для проводки, вони могли опосередковано регулювати порогові напруги транзисторів. Ці налаштування, у поєднанні з ретельним вибором матеріалу проводки та його матриці, дозволили створити надійні n-типи напівпровідників по всій схемі.
Сам чіп використовує інвертори в режимі виснаження та включає набір з 25 логічних вентилів. З них 18 вентилів відповідали критеріям продуктивності після ретельного тестування. Алгоритми машинного навчання відіграли ключову роль у процесі виготовлення, аналізуючи численні варіанти дизайну, щоб забезпечити роботу кожного транзистора в межах його вимог до продуктивності. Загальний вихід на чіпі перевищив 99,8%, що свідчить про високу стабільність у виробничому процесі, незважаючи на складнощі, пов’язані з 2D матеріалами.
Сучасні матеріали та виклики виготовлення
Дослідники вивчають широкий спектр двовимірних (2D) матеріалів, які, як і MoS2, формують атомарні шари. Однак кожен матеріал має свої електронні характеристики, що залежать від його орбітальних конфігурацій. Відсутність властивостей об’ємного матеріалу у цих моноплівках змусила інженерів шукати нові рішення на основі традиційних технологій напівпровідників. У цьому дослідженні поєднання науки про матеріали та оптимізації процесів на основі машинного навчання надало дорожню карту для подолання обмежень атомарно тонкого апаратного забезпечення.
Незважаючи на вражаючі результати на рівні чіпів, складання більш складних схем залишається викликом. Наприклад, хоча прості схеми, такі як восьмібітні регістри, досягли виходу приблизно 71%, масштабування дизайну до 64-бітних регістрів, які потребують більше тисячі транзисторів, призвело до значно нижчих показників. Ці труднощі свідчать про те, що хоча технологія обіцяє, необхідні суттєві вдосконалення, перш ніж її можна буде використовувати для високопродуктивних застосувань.
Архітектура чіпа: детальний огляд
Процесор RV32-WUJI є досконалим прикладом мінімалістичного дизайну. Він реалізує повний набір 32-бітних інструкцій RISC-V за допомогою нового підходу, що використовує прості арифметичні операції. Конкретно, процесор додає два 32-бітні числа по одному біту за раз протягом 32 тактових циклів, що підкреслює компроміс між атомарно тонким виготовленням і швидкістю обробки. Буфери на чіпі управляють проміжними виходами під час обробки, забезпечуючи надійність роботи пристрою, навіть на кілогерцевих частотах.
Крім того, включення складного декодувальника інструкцій RISC-V ілюструє поєднання традиційної комп’ютерної архітектури з новими матеріалознавчими досягненнями. Це інтеграція принципів класичного дизайну з інноваційними технологіями напівпровідників підкреслює потенціал для майбутніх гібридних систем, де кремній та 2D матеріали існують поруч, кожен із яких вирішує свої специфічні обчислювальні потреби.
Перспективи та застосування
Хоча нинішні показники продуктивності процесора на основі MoS2 є скромними в порівнянні з кремнієвими аналогами, експерти вважають, що це один з найскладніших прикладів апаратного забезпечення “поза кремнієм” на сьогодні. Аналітики галузі зазначають, що такі процесори можуть знайти початкові застосування в ультранизькопотужних пристроях, особливо в сенсорних мережах та вбудованих системах, де енергоефективність є значно важливішою, ніж чиста продуктивність.
Останні досягнення в дослідженнях 2D матеріалів швидко закривають розрив між експериментальними демонстраціями та комерційною життєздатністю. Оскільки методи виготовлення покращуються і проблеми виходу системно вирішуються, обсяг застосувань ультратонких напівпровідників може розширитися до носимих технологій, IoT пристроїв і, можливо, спеціалізованих прискорювачів для завдань машинного навчання та обчислень на краю.
Думки експертів і погляди в галузі
- Др. Емілі Чжан, науковець у галузі матеріалів: “Інтеграція MoS2 у повнофункціональний 32-бітний процесор є знаковим досягненням. Виклики, пов’язані з інженерією на атомному рівні, є непростими, особливо коли традиційні методи легування не можуть бути застосовані.”
- Раджеш Патель, аналітик індустрії напівпровідників: “Хоча швидкість обмежена за сучасними стандартами, потенціал для низькопотужних застосувань і безперешкода сумісність з існуючими технологіями виготовлення кремнію роблять це дослідження надзвичайно обнадійливим.”
Висновок
Демонстрація процесора RV32-WUJI не лише відкриває новий напрямок у технології напівпровідників, але й прокладає шлях для майбутніх досліджень, які зможуть подолати обмеження сучасних 2D матеріалів. Оскільки експериментальна робота продовжує вдосконалювати ці атомарно тонкі пристрої, поєднуючи науку про матеріали, передову інженерію та методи машинного навчання, остаточна мета полягає не в повному заміщенні кремнію, а в його доповненні у ситуаціях, де ефективність енергії та інноваційні форми є найважливішими.
Очікується, що новини в цій області з’являться, оскільки дослідницькі групи по всьому світу досліджують подібні напрямки, спираючись на успіх цієї китайської дослідницької групи. Еволюція MoS2 та інших 2D напівпровідників обіцяє змінити наше розуміння та впровадження електронних процесорів в найближчі десятиліття.
Джерело: Ars Technica