En Ru
32-битный процессор на одноатомном полупроводнике
Группа исследователей из Китая представила в журнале Nature статью, описывающую 32-битный RISC-V процессор, созданный на основе дисульфида молибдена вместо кремния в качестве полупроводника.
Дисульфид молибдена похож на графен: одна молекула MoS₂ представляет собой слой толщиной чуть больше одного атома из-за углов между химическими связями. Однако, в отличие от графена, дисульфид молибдена является полупроводником.
Этот материал уже использовался в различных экспериментальных электронных устройствах, включая флеш-память и датчики изображения. Однако недавно ученые разработали метод создания полноразмерных пластин MoS₂ на сапфировой основе. Именно этим воспользовалась исследовательская группа для создания своего процессора, получившего название RV32-WUJI.
Хотя процессор пока способен выполнять только поразрядное сложение и работает на частотах в килогерцовом диапазоне, он поддерживает полный набор 32-битных инструкций RISC-V благодаря почти 6 000 индивидуальным транзисторам.
Этот материал уже использовался в различных экспериментальных электронных устройствах, включая флеш-память и датчики изображения. Однако недавно ученые разработали метод создания полноразмерных пластин MoS₂ на сапфировой основе. Именно этим воспользовалась исследовательская группа для создания своего процессора, получившего название RV32-WUJI.
Хотя процессор пока способен выполнять только поразрядное сложение и работает на частотах в килогерцовом диапазоне, он поддерживает полный набор 32-битных инструкций RISC-V благодаря почти 6 000 индивидуальным транзисторам.
Двухмерные материалы
Графен состоит исключительно из атомов углерода, где все связи расположены строго в одной плоскости. Благодаря этому толщина материала соответствует диаметру всего одного атома углерода.
Дисульфид молибдена (MoS₂) имеет иную структуру. Его химические связи расположены под углом к плоскости, образуя зигзагообразную трёхслойную структуру "молибден-сера-сера". Это приводит к тому, что толщина материала оказывается немного больше, чем суммарный размер составляющих его атомов.
Дисульфид молибдена состоит из серы (желтые шары) и молибдена (синие шары) в ступенчатой гексагональной структуре
Дисульфид молибдена (MoS₂) имеет иную структуру. Его химические связи расположены под углом к плоскости, образуя зигзагообразную трёхслойную структуру "молибден-сера-сера". Это приводит к тому, что толщина материала оказывается немного больше, чем суммарный размер составляющих его атомов.
Дисульфид молибдена состоит из серы (желтые шары) и молибдена (синие шары) в ступенчатой гексагональной структуре
Графен состоит исключительно из атомов углерода, где все связи расположены строго в одной плоскости. Благодаря этому толщина материала соответствует диаметру всего одного атома углерода.
Дисульфид молибдена (MoS₂) имеет иную структуру. Его химические связи расположены под углом к плоскости, образуя зигзагообразную трёхслойную структуру "молибден-сера-сера". Это приводит к тому, что толщина материала оказывается немного больше, чем суммарный размер составляющих его атомов.
Дисульфид молибдена состоит из серы (желтые шары) и молибдена (синие шары) в ступенчатой гексагональной структуре
Дисульфид молибдена (MoS₂) имеет иную структуру. Его химические связи расположены под углом к плоскости, образуя зигзагообразную трёхслойную структуру "молибден-сера-сера". Это приводит к тому, что толщина материала оказывается немного больше, чем суммарный размер составляющих его атомов.
Дисульфид молибдена состоит из серы (желтые шары) и молибдена (синие шары) в ступенчатой гексагональной структуре
В любом случае электронные свойства этих материалов зависят исключительно от орбитальных конфигураций самой молекулы - не существует объемного материала, из которого могли бы возникнуть объемные свойства. В то время как графен является отличным проводником, MoS2 - полупроводник.
В некоторых экспериментальных устройствах на основе MoS₂ использовали графен в качестве проводящего материала. Однако команда разработчиков сосредоточилась на создании экспериментального оборудования, совместимого с традиционными кремниевыми производственными технологиями. Такой подход не только упрощает процесс производства, но и открывает возможности для интеграции с кремниевыми вспомогательными микросхемами.
Тем не менее, работа с MoS₂ сопряжена с особыми сложностями. В обычных кремниевых транзисторах пороговое напряжение можно регулировать методом легирования — внедрением примесей, изменяющих свойства полупроводника. Однако в случае однослойных молекул такой метод неприменим.
Все полупроводниковые элементы RV32-WUJI относятся к n-типу, и их характеристики невозможно скорректировать традиционными способами. Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали два разных металла (алюминий и золото) для создания проводников и регулировали пороговое напряжение каждого транзистора с помощью выбора проводника, а также материала, в который был встроен проводник.
В некоторых экспериментальных устройствах на основе MoS₂ использовали графен в качестве проводящего материала. Однако команда разработчиков сосредоточилась на создании экспериментального оборудования, совместимого с традиционными кремниевыми производственными технологиями. Такой подход не только упрощает процесс производства, но и открывает возможности для интеграции с кремниевыми вспомогательными микросхемами.
Тем не менее, работа с MoS₂ сопряжена с особыми сложностями. В обычных кремниевых транзисторах пороговое напряжение можно регулировать методом легирования — внедрением примесей, изменяющих свойства полупроводника. Однако в случае однослойных молекул такой метод неприменим.
Все полупроводниковые элементы RV32-WUJI относятся к n-типу, и их характеристики невозможно скорректировать традиционными способами. Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали два разных металла (алюминий и золото) для создания проводников и регулировали пороговое напряжение каждого транзистора с помощью выбора проводника, а также материала, в который был встроен проводник.
В некоторых экспериментальных устройствах на основе MoS₂ использовали графен в качестве проводящего материала. Однако команда разработчиков сосредоточилась на создании экспериментального оборудования, совместимого с традиционными кремниевыми производственными технологиями. Такой подход не только упрощает процесс производства, но и открывает возможности для интеграции с кремниевыми вспомогательными микросхемами.
Тем не менее, работа с MoS₂ сопряжена с особыми сложностями. В обычных кремниевых транзисторах пороговое напряжение можно регулировать методом легирования — внедрением примесей, изменяющих свойства полупроводника. Однако в случае однослойных молекул такой метод неприменим.
Все полупроводниковые элементы RV32-WUJI относятся к n-типу, и их характеристики невозможно скорректировать традиционными способами. Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали два разных металла (алюминий и золото) для создания проводников и регулировали пороговое напряжение каждого транзистора с помощью выбора проводника, а также материала, в который был встроен проводник.
Тем не менее, работа с MoS₂ сопряжена с особыми сложностями. В обычных кремниевых транзисторах пороговое напряжение можно регулировать методом легирования — внедрением примесей, изменяющих свойства полупроводника. Однако в случае однослойных молекул такой метод неприменим.
Все полупроводниковые элементы RV32-WUJI относятся к n-типу, и их характеристики невозможно скорректировать традиционными способами. Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали два разных металла (алюминий и золото) для создания проводников и регулировали пороговое напряжение каждого транзистора с помощью выбора проводника, а также материала, в который был встроен проводник.
Двухмерные материалы
На уровне микросхемы исследователи экспериментировали с созданием множества отдельных устройств, а затем использовали машинное обучение, чтобы определить оптимальное сочетание проводников и материалов, которое обеспечило бы соответствие каждого отдельного транзистора необходимым характеристикам.
На уровне транзисторов устройство использует так называемые инверторы в режиме обеднения (NMOS с понижающей нагрузкой). Чтобы создать функциональную схему, исследователи построили полный набор из 25 логических элементов и протестировали их. Восемнадцать из них были функциональными, и исследователи создали чип с их использованием. Они использовали самый длинный путь через чип, чтобы определить задержку, которую необходимо было учитывать, что установило верхний предел тактовой частоты в диапазоне килогерц. Финальные показатели выхода годных чипов оказались исключительно высокими:
Полученный в результате процессор состоит из 5900 отдельных транзисторов и способен реализовывать полную 32-битную версию набора команд RISC-V, что обязательно означает наличие сложных схем, таких как декодер команд RISC-V. В то же время некоторые аспекты намеренно упрощены: хотя процессор может выполнять сложение двух 32-битных чисел, он делает это, работая с каждым битом по отдельности, то есть для выполнения операции требуется 32 такта. Это также потребовало встроенных буферов для хранения промежуточных результатов.
Тем не менее, это работает, и авторы утверждают, что это, вероятно, один из самых сложных элементов аппаратного обеспечения, выходящего за рамки кремния. Тем не менее, они не ожидают, что эта технология заменит кремний; вместо этого они рассматривают её как потенциально способную удовлетворить некоторые нишевые потребности, например, в сверхмаломощной обработке данных для простых датчиков. Но если технология продолжит развиваться, сфера её потенциального применения может расшириться.
На уровне транзисторов устройство использует так называемые инверторы в режиме обеднения (NMOS с понижающей нагрузкой). Чтобы создать функциональную схему, исследователи построили полный набор из 25 логических элементов и протестировали их. Восемнадцать из них были функциональными, и исследователи создали чип с их использованием. Они использовали самый длинный путь через чип, чтобы определить задержку, которую необходимо было учитывать, что установило верхний предел тактовой частоты в диапазоне килогерц. Финальные показатели выхода годных чипов оказались исключительно высокими:
- Выход годных транзисторов: свыше 99,9%
- Выход годных чипов: 99,8%
Полученный в результате процессор состоит из 5900 отдельных транзисторов и способен реализовывать полную 32-битную версию набора команд RISC-V, что обязательно означает наличие сложных схем, таких как декодер команд RISC-V. В то же время некоторые аспекты намеренно упрощены: хотя процессор может выполнять сложение двух 32-битных чисел, он делает это, работая с каждым битом по отдельности, то есть для выполнения операции требуется 32 такта. Это также потребовало встроенных буферов для хранения промежуточных результатов.
Тем не менее, это работает, и авторы утверждают, что это, вероятно, один из самых сложных элементов аппаратного обеспечения, выходящего за рамки кремния. Тем не менее, они не ожидают, что эта технология заменит кремний; вместо этого они рассматривают её как потенциально способную удовлетворить некоторые нишевые потребности, например, в сверхмаломощной обработке данных для простых датчиков. Но если технология продолжит развиваться, сфера её потенциального применения может расшириться.
Источник: https://www.nature.com/articles/s41586-025-08759-9
Перевод: Сотрудник компании ООО "ТТМ" Михайлов А.Л.