الحوسبة
حاسوب 2D CMOS يفتح عصرًا جديدًا من البديلات السيليكونية
في عالم تقنية أشباه الموصلات، التي تشكل أساس الإلكترونيات الحديثة، السيليكون (Si) هو المادة الأكثر استخدامًا.
العنصر الثاني الأكثر وفرة على الأرض بعد الأكسجين، السيليكون قد أتاح التقدم في تقنية أشباه الموصلات من خلال التقليل من الحجم. من المعالجات الدقيقة إلى التأتمت، الحواسيب، الهواتف الذكية، والمركبات الكهربائية، لقد أنتجت اختراقات في الإلكترونيات من خلال تقليل الحجم المادي للأجهزة بشكل كبير.
لكن الآن، تحديات التوسع جعلت من الضروري استكشاف مواد جديدة. هنا، المواد ثنائية الأبعاد (2D) تظهر إمكانيات لتحسينات غير مسبوقة في أداء الجهاز على المستوى الذري.
المواد ثنائية الأبعاد هي مواد نانوية رقيقة جدًا مع طبقة واحدة من الذرات. لديها درجة عالية من اللا مرونة والوظيفة الكيميائية، وخصائصها الإلكترونية الجذابة تجعلها قابلة للاستخدام في مجموعة واسعة من التطبيقات. الغرافين هو مادة 2D شائعة.
لذلك، مع سمكها الذري وmobility الحامل العالية، المواد ثنائية الأبعاد توفر بديلًا واعدًا. تم إحراز تقدم كبير أيضًا في نمو الوفرة، ترانزستورات hiệu suất عالية (FET)، ودائرة قائم على هذه المواد.
FET هو نوع من الترانزستور الذي يستخدم حقلًا كهربائيًا للسيطرة على التيار عبر شبه موصل. كونه مكونًا إلكترونيًا حاسمًا في الإلكترونيات الحديثة، FET يعمل كinterruptor خاضع للسيطرة في دوائر الطاقة عالية الجهد والتردد.
في حين تم إحراز الكثير من التقدم، تحقيق تكامل شبه موصل معدن-أكسيد (CMOS) لا يزال تحديًا.
CMOS هو نوع من التكنولوجيا المستخدمة في تصنيع الدوائر المتكاملة، ولا سيما في معالجات الكمبيوتر، شرائح الذاكرة، وأجهزة رقمية أخرى. يساعد على تنظيم تدفق الكهرباء عبر هذه المكونات، وهو أمر ضروري للوظيفة الصحيحة.
على وجه التحديد، CMOS يستخدم كل من ترانزستورات n-نوع (NMOS) و p-نوع (PMOS) بطريقة مكملة لتحقيق وظائف منطقية.
ترانزستورات n-نوع ت conducts الكهرباء باستخدام الإلكترونات السالبة الشحنة كحاملات الشحنة الأساسية وتسمح للتيار أن يتدفق. في ترانزستورات p-نوع، معظم حاملات الشحنة هي ثقوب (شحنة إيجابية)، وتسمح للتيار أن يتدفق من مصدر الطاقة إلى الإخراج.
في CMOS، شبه موصل معدن-أكسيد يشير إلى المواد المستخدمة في بناء الترانزستورات: المعدن للبوابة، الأكسيد للعزل، والسيليكون شبه موصل للقناة.
ما يجعل CMOS قويًا هو أنه يسمح بإنشاء دوائر إلكترونية معقدة على شريحة شبه موصل واحدة. بالإضافة إلى ذلك، ترانزستورات CMOS تستخدم طاقة أقل مقارنة بالتكنولوجيا الأخرى بسبب استهلاك الطاقة فقط عند التبديل بين الحالات (مفتوح/مغلق). علاوة على ذلك، دوائر CMOS известة bằng موثوقيتها العالية.
الآن، باحثون من جامعة ولاية بنسلفانيا قد تخطوا تحدي دمج CMOS مع المواد ثنائية الأبعاد.
ما قاموا به هو تطوير كمبيوتر 2D واحد مع مجموعة تعليمات قائم على تكنولوجيا CMOS. إنه يستفيد من التكامل الهجين للترانزستورات كبيرة النطاق n-نوع MoS2 و p-نوع WSe2.
تمكنت الفريق من تحقيق تيارات دفع عالية وتقليل تسرب الفرع السفلي عن طريق تخصيص فولتية العتبة لترانزستورات 2D n-نوع و p-نوع. تم إنجاز ذلك عن طريق تقليل طول القناة، من أجل ذلك قاموا بدمج ديالكتيك بوابة عالية وتنظيم نمو المواد ومعالجة الجهاز بعد المعالجة.
هذا مكن من تشغيل الدائرة أقل من 3 فولت مع تردد تشغيل يصل إلى 25 كيلو هرتز بالإضافة إلى استهلاك طاقة منخفض جدًا في نطاق البيكو وات وطاقة التبديل حوالي 100 بيكو جول.
كمبيوتر 2D CMOS في جامعة ولاية بنسلفانيا يدفع الحد الذري
السيليكون هو الزعيم في تقنية أشباه الموصلات، ولكن على عكس هذا العنصر الكيميائي، المواد ثنائية الأبعاد رقيقة جدًا يمكنها الحفاظ على خصائصها على هذا النطاق.
بعد دفع “تقدم ملحوظ في الإلكترونيات لعدة عقود من خلال تمكين التقليل المستمر من حجم ترانزستورات الفعل (FETs)،” السيليكون يواجه تحديًا كبيرًا في جعل الأجهزة أفضل وأصغر.
“عندما تقل أجهزة السيليكون في الحجم، يبدأ أداؤها في التدهور،” لاحظ قائد الدراسة، Saptarshi Das، الذي هو أستاذ Ackley للهندسة وأستاذ العلوم والآليات الهندسية في جامعة ولاية بنسلفانيا.
في المقابل، المواد ثنائية الأبعاد تحتفظ بخصائصها الإلكترونية الاستثنائية حتى عند سمكها الذري، وبالتالي “تقدим طريقًا واعدًا إلى الأمام”. وبالتالي، في العمل الرائد، استخدم فريق الباحثين المواد ثنائية الأبعاد لتطوير كمبيوتر قادر على عمليات بسيطة.
نشرت في Nature1، الدراسة، التي دعمها مكتب البحوث البحرية، مكتب أبحاث الجيش، والقسم الوطني للعلوم في الولايات المتحدة جزئيًا، تفصيل القفزة الكبيرة في تحقيق إلكترونيات رقيقة وسريعة ومتطورة أكثر.
كما ذكر أعلاه، لقد أنشأوا كمبيوتر CMOS بدون الاعتماد على السيليكون، معدن رباعي التكافؤ الذي يظهر خصائص متوسطة بين المعادن واللا معادن. الباحثون قد استبدلوه بمادتين ثنائيتين الأبعاد لتطوير نوعين من الترانزستورات المطلوبة في كمبيوترات CMOS للسيطرة على تدفق الكهرباء.
لمعظم الترانزستورات n-نوع، استخدموا ثنائي كبريتيد الموليبدنوم (MoS2)، فئة من المواد ثنائية الأبعاد من переход المعدن ثنائي الشكل (TMDCs) غير العضوي التي تتمتع بمعامل احتكاك منخفض، استقرار حراري ممتاز، ومقاومة ارتداء عالية، مشروطة بظروف محددة.
لمعظم الترانزستورات p-نوع، استخدموا سيلينيد التنجستن (WSe2). المركب غير العضوي له بنية بلورية سداسية مشابهة لموليبدنوم ثنائي الكبريت ومعروف بخصائص إلكترونية فريدة، بما في ذلكmobility حامل عالية، فجوة نطاق كبيرة، ونسبة تشغيل-إيقاف ملحوظة.
تكنولوجيا CMOS تتطلب كل من شبه موصلات n-نوع و p-نوع للعمل معًا لتحقيق أداء عالي عند استهلاك طاقة منخفض. هذا، ومع ذلك، كان تحديًا رئيسيًا يثبط الجهود للانتقال إلى ما هو أبعد من السيليكون.
وبينما أظهرت الدراسات أن دوائر صغيرة قائم على المواد ثنائية الأبعاد يمكن أن تكون متسلسلة إلى كمبيوترات وظيفية معقدة، هذا الإنجاز لم يتم تحقيقه بعد.
وفقًا للباحثين، هذا هو التطور الرئيسي في عملهم. لأول مرة، بنوا كمبيوتر CMOS بالكامل من المواد ثنائية الأبعاد، متكاملًا مع ترانزستورات مولیبدینوم دی سولفید وتونغستن دی سلینید كبيرة النطاق.
لتصنيع الترانزستور، استخدم الفريق عملية تسمى ترسيب كيميائي بالبخار العضوي الفلزي (MOCVD). في هذه العملية، يتم تبخير المكونات، مما يؤدي إلى تفاعل كيميائي وإيداع المنتجات على ركيزة.
استخدم الفريق MOCVD لزراعة أوراق كبيرة من مولیبدینوم دی سولفید وتونغستن دی سلینید وتصنيع أكثر من 1000 من كل نوع من الترانزستورات.
ثم، من خلال التغييرات الحذرة في تصنيع الجهاز ومعالجته بعد المعالجة، تمكن الفريق من تعديل فولتية العتبة لترانزستورات n-نوع و p-نوع، وبالتالي، تمكن من تطوير دوائر منطقية CMOS وظيفية بالكامل.
وفقًا لسوبير غوش، المؤلف الأول للدراسة وطالب دكتوراه في العلوم والآليات الهندسية:
“كمبيوتر 2D CMOS يعمل عند فولتية إمداد منخفضة مع استهلاك طاقة ضعيف ويمكنه أداء عمليات منطقية بسيطة عند ترددات تصل إلى 25 كيلو هرتز.”
في حين أن تردد التشغيل هذا منخفض مقارنة بتكنولوجيا CMOS التقليدية، أشار غوش إلى أن كمبيوترهم لا يزال قادرًا على أداء عمليات منطقية بسيطة.
“كما طورنا نموذجًا حاسوبيًا، تم تعديله باستخدام بيانات تجريبية ودمج التباين بين الأجهزة، لتقدير أداء كمبيوتر 2D CMOS وتحديد معاييره مقابل تكنولوجيا السيليكون المتقدمة.”
– غوش
لذلك، في حين أن هذا إنجاز كبير، العمل لم يكتمل بعد. هناك حاجة إلى المزيد من الأبحاث لتطوير نهج كمبيوتر 2D CMOS لأغراض أوسع.
然而، شدد داس على التقدم السريع في هذا المجال مقارنة بتطوير تكنولوجيا السيليكون.
“تكنولوجيا السيليكون قد تم تطويرها لمدة 80 عامًا تقريبًا، ولكن البحث في المواد ثنائية الأبعاد هو حديث نسبيًا، فقط يعود إلى عام 2010. نتوقع أن يكون تطوير كمبيوترات المواد ثنائية الأبعاد عملية تدريجية أيضًا، ولكن هذا هو قفزة إلى الأمام مقارنة بمسار السيليكون.”
– داس
بناء الشرائح الدقيقة مع المواد ثنائية الأبعاد على نطاق واسع
منذ بضعة أشهر، قام علماء في الصين بتطوير شريحة دقيقة2 باستخدام مولیبدینوم دی سولفید. الشريحة تحتوي على 5931 ترانزستور، كل منها سمكه ثلاثة ذرات.
يُعتقد أن مولیبدینوم دی سولفید (MoS2) من قبل العلماء أنه يسمح بمواصلة قانون مور بمجرد أن يصبح السيليكون غير قادر على تقديم المزيد من التقدم.
“على الرغم من أن المواد ثنائية الأبعاد قد تم الترويج لها على نطاق واسع لمدة أكثر من عقد من الزمن، التحدي الحقيقي للتنمية الحالية ليس أداء أي جهاز فردي، حيث تعمل العديد من أجهزة المواد الإلكترونية ثنائية الأبعاد جيدًا على مستوى المعمل.”
– وينزونغ باو، أستاذ في جامعة فودان
العمليّة المواد ثنائية الأبعاد يتم تساؤلها بسبب “نقص نظام تكنولوجي متكامل قابل للتوسيع والتنظيم والمتوافق مع العمليات الصناعية،” أضاف.
لذلك، أنشأ الفريق شريحة دقيقة جديدة تسمى RV32-WUJI. وهي تحتوي على ما يقرب من 6000 ترانزستور مولیبدینوم دی سولفید مصنعة باستخدام تكنولوجيا CMOS التقليدية، مما يدل على الانتقال من البحث المعمل إلى تطبيقات الهندسة على مستوى النظام.
الشريحة الدقيقة مجهزة بعمارة RISC-V التي يمكنها تنفيذ تعليمات 32 بت стандартية. المعالج الجديد مبني على ركيزة سابفير معزولة إلكترونيًا تفصل ترانزستور واحد عن الآخر. كما تم تطوير مكتبة خلية معيارية لRV32-WUJI، تحتوي على 25 نوعًا من الوحدات المنطقية لأداء الوظائف الأساسية.
为了 تحسين كل خطوة في العملية، استخدم الفريق التعلم الآلي.
الباحثون قد حققوا مردود تصنيع يصل إلى 99.77%. الشريحة الدقيقة تستهلك أيضًا 0.43 مللي وات من الطاقة عند أداء العمليات الحسابية.
في حين أن شرائح السيليكون تحتوي على ملايين المرات أكثر من الترانزستورات وترددات تشغيل أسرع من الجهاز الجديد، قال باو إن العمل الجديد قائم على معمل، على عكس أشباه الموصلات السيليكونية، التي استثمرت فيها موارد بحث وتطوير هائلة على مدار عدة عقود.
إذا اعتمدت الصناعة أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد، “نعتقد أن وتيرة اللحاق بالسيليكون سوف تكون أسرع مما نتصور،” أضاف.
المادة ثنائية الأبعاد النشطة مولیبدینوم دی سولفید (MoS2) حصلت مؤخرًا على ترقية بلاتينية (Pt) على مستوى الذرية في دراسة جديدة3 أجريت من قبل جامعة فيينا وجمعية فيينا للتكنولوجيا.
قام الباحثون بدمج ذرات البلاتين الفردية في طبقة مولیبدینوم دی سولفید رقيقة جدًا وحددوا مواقعها بدقة ذرية من خلال نهج مبتكر.
منهجهم، الذي يدمج إنشاء عيوب مستهدفة في طبقة مولیبدینوم دی سولفید، وتسريب البلاتين الخاضع للسيطرة، وتصوير مجهري حاسوبي عالي الدقة، يعتقد الباحثون أنه يوفر مسارات جديدة لفهم وتحسين الميزات على مستوى الذرية في الأنظمة ثنائية الأبعاد.
ما وراء CMOS: مواد هجينة ثنائية الأبعاد ومسارات الكموم
الباحثون يبحثون عن مواد جديدة لاستبدال السيليكون في الإلكترونيات الجديدة منذ فترة طويلة الآن. هذه المواد يجب أن تكون قادرة على تقديم أداء أعلى واستهلاك طاقة أقل مع القابلية للتوسيع، مما يجعلهم يتجهون إلى المواد ثنائية الأبعاد.
عمل متعدد المؤسسات بقيادة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا منذ بضعة سنوات حقق إنجازين تقنيين وتمكن من تحقيق نمو المواد شبه الموصلة باستخدام تكنولوجيا ثنائية الأبعاد (TMDs) التي من شأنها جعل الأجهزة أسرع وأكثر كفاءة في الطاقة.
为了 создать المواد الجديدة، كان على الفريق التغلب على ثلاث تحديات على مستوى الوفرة أو النطاق الكبير: ضمان التبلور الأحادي، الهياكل الهجينة العمودية، ومنع السماكة غير المنتظمة.
على عكس المواد ثلاثية الأبعاد، التي تخضع للتقشر والتنعيم لتحقيق مادة بمساحة سطح متساوية، المواد ثنائية الأبعاد لا تسمح بهذا العملية، مما يؤدي إلى سطح غير متساو.
لذا، بنى الفريق هيكلًا محددًا يُحفز السيطرة الكينيتيكية للمواد ثنائية الأبعاد، وهو ليس فقط حل التحديات، ولكن أيضًا يتطلب نمو البذور المحدد لوقت نمو أقصر.
الإنجاز التقني الآخر كان إظهار التماسك الهجين أحادي المجال في TMDs على نطاق كبير، طبقة تلو الأخرى.
البحث في المواد ثنائية الأبعاد هو في الواقع متوسع دائمًا، مع محاولات العلماء دائمًا لفك القفل الجديد لآليات أكثر تقدمًا لمستقبل أفضل.
منذ بضعة أسابيع فقط، قام علماء المواد من جامعة رايس بإنشاء هجين حقيقي 2D4 عن طريق التكامل الكيميائي للغرافين وزجاج السيليكا، مادتين ثنائيتين الأبعاد متمايزتين، في مركب واحد يسمى جلافين.
وفقًا للمؤلف الأول للدراسة، ساثفيك أجاي إيينجار:
“الطبقات لا تقع فقط فوق بعضها البعض – الإلكترونات تتحرك وتشكل تفاعلات جديدة وstates اهتزازية، مما يؤدي إلى خصائص لا تملكها المادة الواحدة على حدة.”
في هذا الجهد عبر القارات، تم تطوير طريقة ثنائية الخطوة ومتفاعلة واحدة لزراعة الجلافين باستخدام سلف كيميائي سائل يحتوي على الكربون والسيликون.
من خلال تعديل مستويات الأكسجين أثناء التسخين، تمكنوا من نمو الغرافين أولًا ثم تغيير الشروط لصالح تكوين طبقة السيليكا.
على وجه التحديد، يمكن تطبيق الطريقة على مجموعة واسعة من المواد ثنائية الأبعاد، مما يفتح الباب لتطوير مواد مخصصة ثنائية الأبعاد لأجهزة الإلكترونيات والكمبيوترات الكمومية الجديدة.
علماء في كوريا قد استخدموا أيضًا مواد شبه موصلة ثنائية الأبعاد لاكتشاف حالة كمومية جديدة5 يمكن أن تعمل كمبيوترات كمومية أكثر استقرارًا.
الحالة الكمومية الجديدة المكتشفة يمكن أيضًا استغلالها في شريحة شبه موصل ثنائية الأبعاد لتحكم المعلومات الكمومية بشكل أكثر موثوقية.
“لقد اكتشفنا حالة كمومية جديدة، تعرف باسم حالة合성 إكسيتون-فلوكيت، وقمنا بطرح آليّة جديدة للتشابك الكمومي واستخراج المعلومات الكمومية. هذا من المتوقع أن يدفع البحث في تكنولوجيا المعلومات الكمومية في أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد إلى الأمام.”
– جيدونغ لي من DGIST
علماء من JMU Würzburg و TU Dresden، في غضون ذلك، طوروا غطاءً واقيًا للمواد الكمومية ثنائية الأبعاد لحمايتها من التأثيرات البيئية دون المساس بخصائصها الثورية.
كان العلماء قد اكتشفوا في السابق أن الموصلات الكمومية شبه رقيقة جدًا تحتاج إلى معدات فراغ متقدمة ومادة ركيزة محددة. استخدام المواد ثنائية الأبعاد في المكونات الإلكترونية يعني إزالتها من بيئة الفراغ، ولكن حتى التعرض لفترة قصيرة للهواء يؤدي إلى الأكسدة وتدمير خصائصها، “جاعلاً إياها عديمة الفائدة”.
لذا، سعى الفريق إلى طريقة لحماية الطبقة الحساسة من العناصر البيئية باستخدام غطاء واقي.
بعد عامين، نجحوا. استخدم الفريق أدوات فراغ متقدمة لاختبار التسخين السيليكون الكربيد كركيزة لإندين.
يرى الفريق أنه يمهد الطريق لتطبيقات تتضمن طبقات شبه موصلة ذرية حساسة جدًا.
الفريق现在 يبحث عن مواد فان دير فالس الأخرى لخدمة كغوات واقية.
استثمار تكنولوجيا أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد
يعمل بشكل نشط على مواجهة تحديات تقليل أبعاد الترانزستور، Applied Materials (AMAT ) يلعب دورًا مهمًا في تطوير وتوسيع أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد.
أداء السوق لمؤشر Applied Materials (AMAT ) يظهر أيضًا اتجاهًا صعوديًا قويًا.
Applied Materials (AMAT )
تُباع أسهم Applied Materials (AMAT ) حاليًا عند 170.50 دولار، بزيادة 4.9% منذ بداية السنة، وانخفاضًا بنسبة 33.6% فقط من أعلى سعر سجله في الصيف الماضي. ربحها لكل سهم (TTM) هو 8.21 دولار، ونسبة السعر إلى الأرباح (TTM) هي 20.78، بينما يُقدم عائد الأرباح 1.08%.
فيما يتعلق بالمالية الشركة، أبلغت Applied Materials (AMAT ) عن إيرادات بلغت 7.10 مليار دولار، بزيادة 7% عن العام السابق، للربع الثاني المنتهي في 27 أبريل 2025.
هذا الأداء “الجيد” تم تحقيقه “على الرغم من البيئة الاقتصادية والторيدية الديناميكية،” وفقًا لبرايس هيل، نائب الرئيس الأول ومدير المالية.
(AMAT )
كان هامش ربحها التشغيلي 29.5%، بينما كان هامش ربحها الصافي 26.5%. خلال هذه الفترة، أنتجت الشركة 1.57 مليار دولار من التدفق النقدي التشغيلي ووزعت 2 مليار دولار على المساهمين من خلال 325 مليون دولار من الأرباح و1.67 مليار دولار من استرداد الأسهم.
“القدرات الواسعة لشركة Applied Materials (AMAT ) ومحفظة المنتجات المترابطة تقود نتائج قوية في عام 2025 في ظل بيئة макروeconomic ديناميكية للغاية.”
– السيد غاري ديكرسون، الرئيس التنفيذي
أشار إلى أن الحوسبة الإلكترونية عالية الأداء والكفاءة في الطاقة لا تزال تعمل كمحرك رئيسي لابتكارات أشباه الموصلات.
أحدث الأخبار والتحديثات حول سهم Applied Materials (AMAT)
الاستنتاج
من خلال بناء كمبيوتر CMOS العامل الأول في العالم بالكامل من المواد ثنائية الأبعاد، قد تحدت الباحثون ليس فقط السيادة الطويلة للأشباه الموصلات السيليكونية في الإلكترونيات، ولكنهم أيضًا قدموا حلًا لمشكلة جعل الأجهزة الإلكترونية أصغر وأسرع وأفضل.
أكثر من 2000 ترانزستور مصنع من قبل الفريق قادر على تنفيذ عمليات منطقية على كمبيوتر، مما يزيل الحاجة إلى السيليكون التقليدية.
في حين أنها لا تزال في مرحلة الطفولة، الإنجاز يشير إلى مستقبل مثير حيث تصبح الإلكترونيات عالية الأداء وأكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وأرقة، مدفوعة بمواد سمكها ذري، واقعًا جديدًا.
انقر هنا لتعلم لماذا قد تكون أشباه الموصلات الطبقية قفزة التالية في تخزين البيانات.
الدراسات المذكورة:
1. Ghosh, S.; Zheng, Y.; Rafiq, M.; et al. A Complementary Two-Dimensional Material-Based One Instruction Set Computer. Nature 2025, 642 (12), 327–335. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08963-7
2. Ao, M.; Zhou, X.; Kong, X.; et al. A RISC-V 32-Bit Microprocessor Based on Two-Dimensional Semiconductors. Nature 2025, 640 (17), 654–661. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08759-9
3. Li, J.; Yuan, Y.; Cao, W.; Deng, B.; Li, C.; Cheng, Z.; Wang, H.; Hu, W.; Xu, H. Q.; Wang, L. Programmable P-N Junctions in Two-Dimensional Semiconductor Transistors. Nano Lett. 2025, 25 (12), 5049–5056. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00919
4. Iyengar, S. A.; Tripathi, M.; Srivastava, A.; Biswas, A.; Gray, T.; Terrones, M.; Dalton, A. B.; Pimenta, M. A.; Vajtai, R.; Meunier, V.; Ajayan, P. M. Glaphene: A hybridization of 2D silica glass and graphene. Adv. Mater. 2025, Published Online May 28, 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202419136
5. Park, H.; Park, N.; Lee, J. Novel Quantum States of Exciton–Floquet Composites: Electron–Hole Entanglement and Information. Nano Lett. 2024, 24 (42), 13192–13199. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03100
