RV32-WUJI: китайцы собрали первый в мире процессор толщиной в 1 атом
NewsMakerМикросхема из молибдена укладывает кремниевую электронику на лопатки.
Китайские учёные представили в журнале Nature результаты уникального эксперимента в области микроэлектроники. В лаборатории удалось создать 32-битный процессор архитектуры RISC-V, где традиционный кремний заменили новым материалом – дисульфидом молибдена.
В основе этого достижения лежит общая для современной науки тенденция поиска материалов с двумерной структурой. Самый известный представитель таких веществ – графен, который представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом. Дисульфид молибдена относится к тому же семейству двумерных материалов, но его строение сложнее: атомы серы и молибдена выстраиваются в шестиугольники, образуя не плоский, а волнообразный слой из-за особенностей химических связей между элементами.
Природа электрических свойств дисульфида молибдена принципиально отличается от свойств обычных материалов. В массивных образцах характеристики определяются взаимодействием множества атомов, формирующих кристаллическую решётку. В случае двумерного материала электрические свойства зависят исключительно от расположения электронов на орбиталях одиночной молекулы. Благодаря такой структуре дисульфид молибдена проявляет полупроводниковые свойства, в то время как графен ведёт себя как отличный проводник.
Лабораторные эксперименты с дисульфидом молибдена велись давно – из него уже создавали флеш-память и светочувствительные элементы для фотокамер. Однако лишь недавний прорыв в технологии производства позволил получать большие пластины этого материала на сапфировой подложке. Именно эта разработка открыла путь к созданию полноценного процессора, получившего название RV32-WUJI.
Микросхема содержит 5900 транзисторов, что позволяет ей исполнять полный набор команд 32-битной архитектуры RISC-V. Пока производительность устройства ограничена: операции сложения выполняются последовательно, по одному биту за такт. На обработку двух 32-битных чисел уходит 32 такта, а промежуточные результаты сохраняются в специальных буферах памяти.
Создание транзисторов из дисульфида молибдена потребовало нестандартных инженерных решений. В кремниевой электронике свойства полупроводника настраивают, внедряя в кристаллическую решётку атомы других элементов – этот процесс называется легированием. Для одномолекулярного слоя такой подход неприменим: нельзя добавить примеси в структуру единой молекулы. Все полупроводниковые области RV32-WUJI относятся к электронному типу проводимости (n-тип), и их параметры невозможно регулировать традиционным способом.
Ключ к решению проблемы инженеры нашли в металлических контактах транзисторов. Экспериментируя с проводниками из золота и алюминия, а также материалами их изоляции, специалисты добились нужных значений порогового напряжения. Оптимальные комбинации материалов подбирались с помощью алгоритмов машинного обучения, которые анализировали характеристики множества экспериментальных образцов.
Базовым элементом вычислительных схем стали инверторы с режимом обеднения – устройства, преобразующие входной электрический сигнал в противоположный. На их основе разработали 25 типов логических элементов, необходимых для построения процессора. После испытаний 18 вариантов показали стабильную работу. Быстродействие микросхемы определяется временем прохождения сигнала по самой длинной цепочке элементов, поэтому тактовую частоту пришлось ограничить несколькими килогерцами.
Статистика производства демонстрирует высокую надёжность технологии: для отдельных компонентов процент успешного изготовления превысил 99,9%, для целых микросхем показатель достиг 99,8%. Однако сложные функциональные блоки оказались более требовательными к точности производства. Восьмибитные регистры – схемы для временного хранения данных – удавалось получить в рабочем состоянии только в 71% случаев. Для 64-битных регистров, требующих 1152 транзистора, успешными были лишь 7% попыток.
Несмотря на скромные показатели быстродействия, RV32-WUJI поражает сложностью архитектуры. В составе процессора функционируют такие комплексные узлы, как декодер команд RISC-V, преобразующий машинные инструкции в последовательности управляющих сигналов. По мнению создателей, эта разработка – один из самых совершенных примеров электронных устройств на альтернативных материалах.
В обозримом будущем дисульфид молибдена едва ли заменит кремний в массовом производстве электроники. Однако у нового материала может появиться собственная область применения – например, сверхэкономичные вычислительные модули для простых датчиков. С развитием технологии производства сфера использования подобных процессоров может существенно расшириться.
Китайские учёные представили в журнале Nature результаты уникального эксперимента в области микроэлектроники. В лаборатории удалось создать 32-битный процессор архитектуры RISC-V, где традиционный кремний заменили новым материалом – дисульфидом молибдена.
В основе этого достижения лежит общая для современной науки тенденция поиска материалов с двумерной структурой. Самый известный представитель таких веществ – графен, который представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом. Дисульфид молибдена относится к тому же семейству двумерных материалов, но его строение сложнее: атомы серы и молибдена выстраиваются в шестиугольники, образуя не плоский, а волнообразный слой из-за особенностей химических связей между элементами.
Природа электрических свойств дисульфида молибдена принципиально отличается от свойств обычных материалов. В массивных образцах характеристики определяются взаимодействием множества атомов, формирующих кристаллическую решётку. В случае двумерного материала электрические свойства зависят исключительно от расположения электронов на орбиталях одиночной молекулы. Благодаря такой структуре дисульфид молибдена проявляет полупроводниковые свойства, в то время как графен ведёт себя как отличный проводник.
Лабораторные эксперименты с дисульфидом молибдена велись давно – из него уже создавали флеш-память и светочувствительные элементы для фотокамер. Однако лишь недавний прорыв в технологии производства позволил получать большие пластины этого материала на сапфировой подложке. Именно эта разработка открыла путь к созданию полноценного процессора, получившего название RV32-WUJI.
Микросхема содержит 5900 транзисторов, что позволяет ей исполнять полный набор команд 32-битной архитектуры RISC-V. Пока производительность устройства ограничена: операции сложения выполняются последовательно, по одному биту за такт. На обработку двух 32-битных чисел уходит 32 такта, а промежуточные результаты сохраняются в специальных буферах памяти.
Создание транзисторов из дисульфида молибдена потребовало нестандартных инженерных решений. В кремниевой электронике свойства полупроводника настраивают, внедряя в кристаллическую решётку атомы других элементов – этот процесс называется легированием. Для одномолекулярного слоя такой подход неприменим: нельзя добавить примеси в структуру единой молекулы. Все полупроводниковые области RV32-WUJI относятся к электронному типу проводимости (n-тип), и их параметры невозможно регулировать традиционным способом.
Ключ к решению проблемы инженеры нашли в металлических контактах транзисторов. Экспериментируя с проводниками из золота и алюминия, а также материалами их изоляции, специалисты добились нужных значений порогового напряжения. Оптимальные комбинации материалов подбирались с помощью алгоритмов машинного обучения, которые анализировали характеристики множества экспериментальных образцов.
Базовым элементом вычислительных схем стали инверторы с режимом обеднения – устройства, преобразующие входной электрический сигнал в противоположный. На их основе разработали 25 типов логических элементов, необходимых для построения процессора. После испытаний 18 вариантов показали стабильную работу. Быстродействие микросхемы определяется временем прохождения сигнала по самой длинной цепочке элементов, поэтому тактовую частоту пришлось ограничить несколькими килогерцами.
Статистика производства демонстрирует высокую надёжность технологии: для отдельных компонентов процент успешного изготовления превысил 99,9%, для целых микросхем показатель достиг 99,8%. Однако сложные функциональные блоки оказались более требовательными к точности производства. Восьмибитные регистры – схемы для временного хранения данных – удавалось получить в рабочем состоянии только в 71% случаев. Для 64-битных регистров, требующих 1152 транзистора, успешными были лишь 7% попыток.
Несмотря на скромные показатели быстродействия, RV32-WUJI поражает сложностью архитектуры. В составе процессора функционируют такие комплексные узлы, как декодер команд RISC-V, преобразующий машинные инструкции в последовательности управляющих сигналов. По мнению создателей, эта разработка – один из самых совершенных примеров электронных устройств на альтернативных материалах.
В обозримом будущем дисульфид молибдена едва ли заменит кремний в массовом производстве электроники. Однако у нового материала может появиться собственная область применения – например, сверхэкономичные вычислительные модули для простых датчиков. С развитием технологии производства сфера использования подобных процессоров может существенно расшириться.