2D CMOS-computer indleder en ny æra af silicium-alternativer

I verden af halvlederteknologi, som udgør grundlaget for moderne elektronik, er silicium (Si) det mest anvendte materiale.

Det er det næstmest udbredte grundstof på Jorden efter ilt, og silicium har muliggjort fremskridt inden for halvlederteknologi gennem miniaturisering. Fra mikroprocessorer til automatisering, computere, smartphones og elbiler har det skabt gennembrud i elektronik ved markant at reducere de fysiske størrelser på enheder.

Men nu har udfordringer med skalering gjort det nødvendigt at undersøge nye materialer. Her viser to‑dimensionelle (2D) materialer potentiale for hidtil usete fremskridt i enheders ydeevne på atomart niveau.

2D‑materialer er ultratynde nanomaterialer med et enkelt atomlag. De har en høj grad af anisotropi og kemisk funktionalitet, og deres attraktive elektroniske egenskaber gør dem anvendelige i en bred vifte af anvendelser. Grafen er et populært 2D‑materiale. 

Således tilbyder 2D‑materialer med deres atomtykkelse og høje ladningsmobilitet et lovende alternativ. Der er også gjort betydelige fremskridt inden for wafer‑skala vækst, højtydende felt‑effekt‑transistorer (FET) og kredsløb baseret på disse materialer.

FET er en type transistor, der bruger et elektrisk felt til at kontrollere strømmen gennem en halvleder. Som en afgørende elektronisk komponent i moderne elektronik fungerer en FET som en styret kontakt i højspændings‑ og højfrekvensstrømkredsløb.

Selvom der er gjort mange fremskridt, er opnåelse af komplementær metal‑oxid‑halvleder (CMOS)-integration stadig en udfordring.

CMOS er en type teknologi, der anvendes ved fremstilling af integrerede kredsløb, især i computerprocessorer, hukommelseschips og andre digitale enheder. Den hjælper med at regulere strømmen gennem disse komponenter, hvilket er afgørende for korrekt funktion.

Bemærkelsesværdigt bruger CMOS både n‑type (NMOS) og p‑type (PMOS) transistorer på en komplementær måde for at opnå logiske funktioner.

N‑type transistorer leder elektricitet ved hjælp af negativt ladede elektroner som de primære ladningsbærere og tillader strømmen at flyde. I p‑type transistorer er majoriteten af ladningsbærere huller (positive ladninger), og de tillader strømmen at flyde fra strømforsyningen til udgangen.

I CMOS refererer metal‑oxid‑halvleder til de materialer, der anvendes i konstruktionen af transistorerne: metal til gate, oxid til isolering og silicium‑halvleder til kanalen.

Det, der gør CMOS kraftfuld, er, at den muliggør oprettelse af komplekse elektroniske kredsløb på en enkelt halvlederchip. Derudover bruger CMOS‑transistorer mindre strøm sammenlignet med andre teknologier, da de kun forbruger strøm, når de skifter mellem tilstande (tændt/slukket). Endvidere er CMOS‑kredsløb kendt for deres høje pålidelighed.

Nu har forskere fra Penn State overvundet udfordringen med at integrere CMOS med 2D‑materialer.

Det, de har gjort, er at de har udviklet en 2D one‑instruction‑set‑computer baseret på CMOS‑teknologi. Den udnytter den heterogene integration af store flade n‑type MoS2‑ og p‑type WSe2‑felt‑effekt‑transistorer.

Teamet var i stand til at opnå høje driverstrømme og reduceret subthreshold‑lækage ved at tilpasse tærskelspændingerne for både n‑ og p‑type 2D‑FET’er. Dette blev opnået ved at skalere kanalens længde, hvormed de indarbejdede et høj‑κ gate‑dielektrikum og optimerede materialevækst samt efterbehandling af enhederne.

Dette muliggør kredsløbsdrift under 3 V med en driftshastighed på op til 25 kHz samt ultra‑lavt strømforbrug i picowatt‑området og en skifteenergi på omkring 100 pJ.

Penn State’s 2D CMOS-computer presser den atomære grænse

Silicium er førende inden for halvlederteknologi, men i modsætning til dette kemiske grundstof kan 2D‑materialer med en atomtykkelse bevare deres egenskaber på dette niveau.

Efter at have drevet “bemærkelsesværdige fremskridt i elektronik i årtier ved at muliggøre kontinuerlig miniaturisering af felt‑effekt‑transistorer (FET’er),” står silicium over for en stor udfordring med at gøre enheder bedre og mindre.

“Efterhånden som silicium‑enheder bliver mindre, begynder deres ydeevne at forringes,” bemærkede studielederen Saptarshi Das, som er Ackley‑professor i ingeniørvidenskab og professor i ingeniørvidenskab og mekanik ved Penn State.

I modsætning hertil bevarer 2D‑materialer deres exceptionelle elektroniske egenskaber selv ved atomisk tykkelse, og dermed “tilbyder de en lovende vej fremad.” Derfor brugte forskerholdet i det banebrydende arbejde 2D‑materialer til at udvikle en computer, der er i stand til simple operationer.

Publiceret i Nature¹, studiet, som delvist blev støttet af Office of Naval Research, Army Research Office og den amerikanske National Science Foundation, beskrev det store skridt i realiseringen af tyndere, hurtigere og mere energieffektive elektronik.

Som nævnt ovenfor har de skabt en CMOS‑computer uden at være afhængig af silicium, et tetravalent metalloid, der udviser egenskaber mellem metaller og ikke‑metaller. Forskere har erstattet det med to forskellige 2D‑materialer for at udvikle de to typer transistorer, der kræves i CMOS‑computere til at kontrollere den elektriske strøm.

Til n‑type transistorer brugte de molybdendisulfid (MoS2), en klasse af 2D‑overgangsmetal‑dichalcogenider (TMDC’er), uorganiske materialer med lav friktionskoefficient, fremragende termisk stabilitet og høj slidstyrke, under specifikke betingelser.

Til p‑type transistorer anvendes wolframdiselenid (WSe2). Den uorganiske forbindelse har en hexagonal krystallinsk struktur, der ligner molybdendisulfid, og er kendt for sine unikke elektroniske egenskaber, herunder høj ladningsmobilitet, en betydelig båndgap og et bemærkelsesværdigt tænd‑sluk‑forhold.

CMOS‑teknologi kræver både n‑type og p‑type halvledere, der arbejder sammen for at opnå høj ydeevne ved lavt strømforbrug. Dette har dog været en central udfordring, der hæmmer bestræbelserne på at gå ud over silicium.

Og selvom studier har vist, at små kredsløb baseret på 2D‑materialer kan skaleres til komplekse, funktionelle computere, er denne præstation endnu ikke opnået.

Ifølge forskerne er det den vigtigste fremgang i deres arbejde. For første gang har de bygget en CMOS‑computer udelukkende af 2D‑materialer, ved at kombinere stort område dyrket molybdendisulfid og wolframdiselenid‑transistorer.

For at fremstille transistoren brugte holdet en proces kaldet metal‑organisk kemisk dampaflejring (MOCVD). I denne proces fordampes ingredienserne, hvilket fremkalder en kemisk reaktion og deponerer produkterne på et substrat.

Ved hjælp af MOCVD dyrkede holdet store lag af molybdendisulfid og wolframdiselenid og fremstillede mere end 1.000 af hver type transistor.

Derefter, gennem omhyggelige ændringer i enhedsfremstillingen og efterbehandlingen, var holdet i stand til at justere tærskelspændingerne for n‑ og p‑type transistorer, hvilket igen gjorde det muligt at udvikle fuldt funktionelle CMOS‑logik‑kredsløb.

“Vores 2D CMOS‑computer fungerer ved lave forsyningsspændinger med minimal strømforbrug og kan udføre simple logikoperationer ved frekvenser op til 25 kilohertz.” 

Selvom denne driftshastighed er lav i sammenligning med konventionelle silicium‑CMOS‑kredsløb, bemærkede Ghosh, at deres computer stadig er i stand til at udføre simple logikoperationer.

“Vi har også udviklet en beregningsmodel, kalibreret med eksperimentelle data og der indarbejder variationer mellem enheder, for at projicere ydeevnen af vores 2D CMOS‑computer og sammenligne den med den mest avancerede silicium‑teknologi. Selvom der stadig er plads til yderligere optimering, markerer dette arbejde en betydelig milepæl i udnyttelsen af 2D‑materialer til at fremme elektronikområdet.”

– Ghosh

Så selvom det er en stor præstation, er arbejdet endnu ikke færdigt. Mere forskning er påkrævet for yderligere at udvikle 2D CMOS‑computer‑tilgangen til bredere anvendelse. Dog understregede Das den hurtige fremgang i feltet sammenlignet med udviklingen af silicium‑teknologi.

“Silicium‑teknologi har været under udvikling i omkring 80 år, men forskningen i 2D‑materialer er relativt ny, først rigtig fremtrædende omkring 2010. Vi forventer, at udviklingen af 2D‑materiale‑computere også vil være en gradvis proces, men dette er et skridt fremad sammenlignet med siliciums udviklingskurve.”

– Das

Bygning af mikrochips med 2D‑materialer i stor skala

For et par måneder siden rapporterede videnskabsfolk i Kina også, at de udviklede en mikrochip ved hjælp af molybdendisulfid. Chippen har 5.931 transistorer, hver tre atomer tyk.

Molybdendisulfid (MoS2) menes af forskere at muliggøre fortsættelsen af Moore’s lov, når silicium ikke længere kan levere yderligere fremskridt.

“Selvom 2D‑materialer har været bredt fremmet i mere end et årti, er den egentlige begrænsning for deres nuværende udvikling ikke ydeevnen af en enkelt enhed, da mange 2D‑elektroniske enheder fungerer meget godt på laboratorieniveau.”

– Wenzhong Bao, professor ved Fudan University

Praktisk anvendelse af 2D‑materialer bliver sat i tvivl på grund af “manglen på et integreret teknologisystem, der er skalerbart, gentageligt og kompatibelt med industrielle processer,” tilføjede han.

Således skabte holdet en ny mikrochip kaldet RV32‑WUJI. Den har næsten 6.000 MoS2‑transistorer fremstillet ved hjælp af konventionelle CMOS‑teknologier, hvilket markerer overgangen fra laboratorieforskning til system‑niveau ingeniørapplikationer.

Mikrochippen er udstyret med en RISC‑V‑arkitektur, der kan udføre standard 32‑bit‑instruktioner. Den nye processor er bygget på et substrat af isolerende safir, som elektronisk adskiller transistorerne fra hinanden. Et standard‑cellebibliotek er også blevet udviklet for RV32‑WUJI, indeholdende 25 typer logiske enheder til at udføre grundlæggende funktioner. For at optimere hvert trin i processen brugte holdet maskinlæring. 

Forskerne har opnået en produktionsudbytte på 99,77 %. Chippen forbruger også kun 0,43 milliwatt, når den udfører aritmetiske operationer. 

Selvom silicium‑chips har millioner af gange flere transistorer og driftsfrekvenser, der er lige så meget hurtigere end den nye enhed, sagde Bao, at det nye arbejde er baseret i et laboratorium, i modsætning til silicium‑baserede halvledere, hvor der er investeret enorme mængder af F&U‑ressourcer i de sidste flere årtier. Hvis industrien vedtager 2D‑halvledere, “tror vi, at tempoet for at indhente silicium‑baseret ydeevne vil være hurtigere, end vi kan forestille os,” tilføjede han.

Det 2D‑aktive materiale molybdendisulfid (MoS2) fik for nylig også en platin (Pt) opgradering på atomart niveau i en ny undersøgelse udført af Universitetet i Wien og Wien Teknologiske Universitet.

Forskerne indlejrede individuelle Pt‑atomer på en ultratynd MoS2‑monolag og identificerede for første gang deres præcise positioner inden for gitteret med atompræcision gennem en innovativ tilgang.

Deres tilgang, som integrerer målrettet defektoprettelse i MoS2‑monolaget, kontrolleret platin‑deponering og en højkontrast beregnings‑mikroskopisk billedteknik, mener forskerne, giver nye veje til forståelse og engineering af atomskala‑funktioner i 2D‑systemer.

Udover CMOS: Hybrid 2D‑materialer og kvanteveje

Forskere har i lang tid søgt efter nye materialer til at erstatte silicium i næste generations elektronik. Disse materialer skal kunne levere højere ydeevne og lavere strømforbrug, samtidig med at de skal være skalerbare, hvilket ofte fører dem til 2D‑materialer.

Et multi‑institutionelt arbejde, co‑ledet af MIT for et par år siden, opnåede faktisk to tekniske gennembrud og var også det første, der rapporterede, at deres metode, overgangsmetal‑dichalcogenider (TMD), til at dyrke halvledermaterialer ville gøre enheder hurtigere og mere energieffektive.

For at skabe de nye materialer måtte holdet overvinde tre udfordringer på wafer‑skala eller stor skala: sikring af enkeltkrystallinitet, vertikale heterostrukturer og forebyggelse af ujævn tykkelse.

I modsætning til 3D‑materialer, som gennemgår ruhed og glatning for at opnå et jævnt overflademateriale, tillader 2D‑materialer ikke denne proces, hvilket resulterer i en ujævn overflade. Dette gør det svært at producere et stort, højkvalitets, ensartet 2D‑materiale.

Således byggede holdet en indespærret struktur, der fremmer 2D‑materialernes kinetiske kontrol, hvilket ikke kun løste alle udfordringerne, men også krævede selvdefineret såningsvækst for en kortere væksttid.

Det andet tekniske gennembrud var at demonstrere enkelt‑domæne heterojunction‑TMD’er i stor skala, lag for lag.

Forskningen i 2D‑materialer udvider sig faktisk konstant, med forskere der løbende forsøger at låse nye funktionaliteter op for en mere avanceret fremtid.

For blot få uger siden skabte materialeforskere fra Rice University et ægte 2D‑hybrid ved kemisk integration af grafen og silikaglas, to grundlæggende forskellige 2D‑materialer, til en enkelt forbindelse kaldet glaphene.

“Lagene hviler ikke blot på hinanden ⎯ elektroner bevæger sig og danner nye interaktioner og vibrations‑tilstande, hvilket giver egenskaber, som ingen af materialerne har alene.” 

I denne tværkontinentale indsats blev en to‑trins, enkelt‑reaktions‑metode udviklet til at dyrke glaphene ved brug af en flydende kemisk forløber, der indeholder både kulstof og silicium. Justering af iltniveauerne under opvarmning gjorde det muligt først at dyrke grafen og derefter skifte betingelserne til fordel for dannelsen af silikaglaget.

Bemærkelsesværdigt kan metoden anvendes på et bredt udvalg af 2D‑materialer, hvilket åbner døren for udviklingen af skræddersyede 2D‑materialer til næste generations elektronik og kvantedevice.

Forskere i Korea har også udnyttet 2D‑semikonduktive materialer til at opdage en ny kvantetilstand, der kan drive mere stabile kvantecomputere. Den nye kvante‑opdagede tilstand kan også udnyttes i en 2D‑semikonduktor‑chip til mere pålidelig kontrol af kvanteinformation.

Små materialer har i nogen tid nu været drivkraften bag store fremskridt inden for kvantecomputing, og den seneste forskning fra Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) åbner veje for nye omkonfigurerbare enheder til datalagring.

“Vi har opdaget en ny kvantetilstand, kendt som exciton‑Floquet‑syntese‑tilstanden, og foreslået en ny mekanisme for kvante‑sammenfiltring og udtræk af kvanteinformation. Dette forventes at fremdrive forskning inden for kvante‑informationsteknologi i to‑dimensionelle halvledere.”

– Jaedong Lee fra DGIST

Sidst år udviklede forskere fra JMU Würzburg og TU Dresden imidlertid en beskyttende belægning til 2D‑kvantematerialer for at beskytte dem mod miljøpåvirkninger uden at gå på kompromis med deres revolutionerende egenskaber.

Forskerne havde tidligere opdaget, at ekstremt tynde kvante‑semikonduktorer kræver sofistikeret vakuumudstyr og et specifikt substratmateriale. Anvendelse af 2D‑materiale i elektroniske komponenter betyder fjernelse fra vakuummiljøet, men selv en kortvarig eksponering for luft fører til oxidation og ødelægger dets egenskaber, “gør det ubrugeligt.”

Så gik holdet videre med at finde en metode til at beskytte det følsomme lag mod miljømæssige påvirkninger ved hjælp af en beskyttende belægning. Efter to år opnåede de succes. Holdet brugte avanceret ultrahøj‑vakuum‑udstyr til at eksperimentere med opvarmning af siliciumkarbid som substrat for indenene.

Holdet ser det som en vejbaner for anvendelser, der involverer ekstremt følsomme atomlag i halvledere. Holdet identificerer nu flere van‑der‑Waals‑materialer, der kan fungere som beskyttende lag.

Investering i 2D‑halvlederteknologi

Ved aktivt at arbejde på at løse udfordringerne ved at mindske transistor‑dimensioner spiller Applied Materials en betydelig rolle i udviklingen og skaleringen af 2D‑halvledere. Det er faktisk et af de få virksomheder, der er positioneret til at muliggøre den industrielle overgang til 2D‑halvlederproduktion gennem fremstillingsudstyr og proceskemi.

Markedets præstation for Applied Materials med en markedsværdi på 137 milliarder dollars viser også en stærk opadgående tendens. 

Applied Materials (AMAT )

Aktuelt handles Applied Materials’ aktier til $170,50, op 4,9 % år‑til‑dato og kun ned 33,6 % fra sit ATH‑top i sidste sommer. Dens EPS (TTM) er 8,21, og P/E‑forholdet (TTM) er 20,78, mens den udbytteafkast, der tilbydes, er 1,08 %.

Hvad angår virksomhedens økonomi, rapporterede Applied Materials en omsætning på $7,10 milliarder, en stigning på 7 % år‑til‑år, for andet kvartal, der sluttede den 27. april 2025.

Denne “stærke præstation” blev leveret “trods det dynamiske økonomiske og handelsmæssige miljø,” sagde Brice Hill, Senior Vice President og CFO. Virksomheden rapporterede også ingen væsentlige ændringer i kundernes efterspørgsel.

Dens GAAP‑bruttomargin var 49,1 % og den non‑GAAP‑bruttomargin var 49,2 %, mens GAAP‑EPS steg 28 % til $2,63 og non‑GAAP‑EPS sprang 14 % til $2,39. I denne periode genererede virksomheden $1,57 milliarder i kontanter fra driften og distribuerede $2 milliarder til aktionærerne gennem $325 millioner i udbytte og $1,67 milliarder i aktietilbagekøb.

“Applied Materials’ brede kapaciteter og sammenkoblede produktportefølje driver stærke resultater i 2025 midt i et meget dynamisk makro‑miljø.”

– CEO Gary Dickerson

Han pegede på højtydende og energieffektiv AI‑computing, som fortsat er den primære driver for innovation inden for halvledere.

Seneste nyheder og udviklinger om Applied Materials (AMAT) aktien

Konklusion

Ved at bygge verdens første fungerende CMOD‑computere fuldstændigt fra atom‑tynde 2D‑materialer har forskerne ikke kun udfordret siliciums længe dominerende position i elektronik, men også præsenteret en løsning på det eksisterende problem med at gøre elektroniske enheder mindre, hurtigere og bedre.

Over 2.000 transistorer fremstillet af holdet er i stand til at udføre logikoperationer på en computer, hvilket fjerner behovet for traditionelt silicium.

Selvom den stadig er i sin spæde start, peger gennembruddet på en spændende fremtid, hvor højtydende, mere energieffektive og slankere elektronik, drevet af materialer kun én atomtyk, bliver den nye virkelighed.

Klik her for at lære, hvorfor lagdelte halvledere kan være det næste skridt i hukommelseslagring.

Studier refereret:

^{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, Udgivet den Online 28. maj 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