Il computer CMOS 2D accende una nuova era di alternative al silicio

Nel mondo della tecnologia dei semiconduttori, che costituisce la base dell’elettronica moderna, il silicio (Si) è il materiale più utilizzato.

Il secondo elemento più abbondante sulla Terra dopo l’ossigeno, il silicio ha consentito progressi nella tecnologia dei semiconduttori grazie alla miniaturizzazione. Dai microprocessori all’automazione, dai computer agli smartphone e ai veicoli elettrici, ha prodotto innovazioni nell’elettronica riducendo in modo significativo le dimensioni fisiche dei dispositivi.

Ma ora, le difficoltà di scalabilità hanno reso necessario esplorare nuovi materiali. In questo contesto, i materiali bidimensionali (2D) mostrano un potenziale per progressi senza precedenti nelle prestazioni dei dispositivi a livello atomico.

I materiali 2D sono nanomateriali ultrafini costituiti da un unico strato di atomi. Presentano un alto grado di anisotropia e funzionalità chimica, e le loro proprietà elettroniche attraenti li rendono utilizzabili in una vasta gamma di applicazioni. La grafene è un materiale 2D popolare. 

Quindi, grazie al loro spessore atomico e all’alta mobilità dei portatori, i materiali 2D offrono un’alternativa promettente. Sono stati compiuti progressi significativi anche nella crescita su scala wafer, nei transistor a effetto di campo (FET) ad alte prestazioni e nei circuiti basati su questi materiali.

Il FET è un tipo di transistor che utilizza un campo elettrico per controllare la corrente attraverso un semiconduttore. Servendo come componente elettronico cruciale nell’elettronica moderna, un FET agisce come un interruttore controllato nei circuiti di potenza ad alta tensione e ad alta frequenza.

Sebbene siano stati fatti molti progressi, l’integrazione della tecnologia complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) rimane una sfida.

Il CMOS è un tipo di tecnologia utilizzata nella fabbricazione di circuiti integrati, in particolare nei processori per computer, nei chip di memoria e in altri dispositivi digitali. Aiuta a regolare il flusso di elettricità attraverso questi componenti, il che è cruciale per il corretto funzionamento.

In particolare, il CMOS utilizza sia transistor di tipo n (NMOS) sia transistor di tipo p (PMOS) in modo complementare per realizzare funzioni logiche.

I transistor di tipo n conducono l’elettricità utilizzando elettroni carichi negativamente come principali portatori di carica e consentono il flusso di corrente. Nei transistor di tipo p, la maggioranza dei portatori di carica sono le lacune (cariche positive) e permettono al corrente di fluire dalla fonte di alimentazione all’uscita.

Nel CMOS, metal-oxide-semiconductor si riferisce ai materiali utilizzati nella costruzione dei transistor: metallo per il gate, ossido per l’isolamento e semiconduttore di silicio per il canale.

Ciò che rende potente il CMOS è la possibilità di creare circuiti elettronici complessi su un singolo chip semiconduttore. Inoltre, i transistor CMOS consumano meno energia rispetto ad altre tecnologie poiché assorbono potenza solo durante il passaggio tra gli stati (acceso/spento). Inoltre, i circuiti CMOS sono noti per la loro elevata affidabilità.

Ora, i ricercatori della Penn State hanno superato la sfida dell’integrazione del CMOS con i materiali 2D.

Ciò che hanno realizzato è un computer a un’istruzione basato su tecnologia CMOS in 2D. Sfrutta l’integrazione eterogenea di transistor a effetto di campo (FET) di tipo n su larga area MoS2 e di tipo p WSe2.

Il team è riuscito a ottenere correnti di guida elevate e una riduzione delle perdite subthreshold personalizzando le tensioni di soglia sia per i FET 2D di tipo n sia per quelli di tipo p. Ciò è stato realizzato riducendo la lunghezza del canale, per il quale hanno incorporato un dielettrico di gate ad alta costante dielettrica (high‑κ) e ottimizzato la crescita del materiale e il post‑processo del dispositivo.

Ciò ha permesso il funzionamento del circuito al di sotto dei 3 V con una frequenza operativa fino a 25 kHz, nonché un consumo di energia ultra‑basso nell’ordine dei picowatt e un’energia di commutazione di circa 100 pJ.

Il computer CMOS 2D della Penn State spinge al limite atomico

Il silicio è il leader nella tecnologia dei semiconduttori, ma a differenza di questo elemento chimico, i materiali 2D spessi un atomo riescono a mantenere le loro proprietà a quella scala.

Dopo aver guidato “notevoli progressi nell’elettronica per decenni consentendo la miniaturizzazione continua dei transistor a effetto di campo (FET)”, il silicio sta affrontando una grande sfida nel rendere i dispositivi ancora migliori e più piccoli. 

“Man mano che i dispositivi in silicio si riducono, le loro prestazioni iniziano a degradarsi,” ha osservato il capo dello studio, Saptarshi Das, professore Ackley di Ingegneria e professore di Scienza e Meccanica dell’Ingegneria alla Penn State.

Al contrario, i materiali 2D mantengono le loro eccezionali proprietà elettroniche anche a spessore atomico, offrendo così “un percorso promettente”. Pertanto, nel lavoro pionieristico, il team di ricercatori ha utilizzato materiali 2D per sviluppare un computer capace di operazioni semplici.

Pubblicato su Nature¹, lo studio, supportato in parte dall’Office of Naval Research, dall’Army Research Office e dalla National Science Foundation degli Stati Uniti, ha dettagliato il grande salto nella realizzazione di elettronica più sottile, più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico.

Come osservato sopra, hanno creato un computer CMOS senza dipendere dal silicio, un metalloide tetravalente che presenta proprietà intermedie tra metalli e non metalli. I ricercatori lo hanno sostituito con due diversi materiali 2D per sviluppare i due tipi di transistor richiesti nei computer CMOS per controllare il flusso elettrico.

Per i transistor di tipo n, hanno utilizzato il disolfuro di molibdeno (MoS2), una classe di materiali inorganici 2D di dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC) che vantano un basso coefficiente di attrito, eccellente stabilità termica e alta resistenza all’usura, a condizione di specifiche condizioni. 

Per i transistor di tipo p, viene utilizzato il diselenuro di tungsteno (WSe2). Il composto inorganico ha una struttura cristallina esagonale simile al disolfuro di molibdeno ed è noto per le sue proprietà elettroniche uniche, tra cui alta mobilità dei portatori, un ampio gap di banda e un notevole rapporto on‑off. 

La tecnologia CMOS richiede che i semiconduttori di tipo n e di tipo p lavorino insieme per ottenere alte prestazioni a basso consumo energetico. Tuttavia, questo è stato una sfida chiave che ha ostacolato gli sforzi per andare oltre il silicio. 

E sebbene gli studi abbiano dimostrato che i piccoli circuiti basati su materiali 2D possono essere scalati a computer complessi e funzionali, questo risultato non è ancora stato raggiunto.

Secondo i ricercatori, questo è il principale avanzamento del loro lavoro. Per la prima volta, hanno costruito un computer CMOS interamente da materiali 2D, combinando transistor di disolfuro di molibdeno e di diselenuro di tungsteno cresciuti su larga area.

Per fabbricare il transistor, il team ha utilizzato un processo chiamato deposizione chimica da vapore metal‑organica (MOCVD). In questo processo, gli ingredienti vengono vaporizzati, inducendo una reazione chimica e depositando i prodotti su un substrato.

Utilizzando la MOCVD, il team ha coltivato ampie foglie di disolfuro di molibdeno e di diselenuro di tungsteno e ha fabbricato più di 1.000 transistor di ciascun tipo. 

Successivamente, attraverso modifiche accurate nella fabbricazione del dispositivo e nel post‑processo, il team è riuscito a regolare le tensioni di soglia dei transistor di tipo n e p, consentendo così lo sviluppo di circuiti logici CMOS pienamente funzionali.

“Il nostro computer CMOS 2D opera a tensioni di alimentazione basse con un consumo energetico minimo e può eseguire operazioni logiche semplici a frequenze fino a 25 kilohertz.” 

Sebbene questa frequenza operativa sia bassa rispetto a quella dei circuiti CMOS in silicio convenzionali, Ghosh ha osservato che il loro computer è comunque in grado di eseguire operazioni logiche semplici.

“Abbiamo inoltre sviluppato un modello computazionale, calibrato con dati sperimentali e che incorpora le variazioni tra i dispositivi, per prevedere le prestazioni del nostro computer CMOS 2D e confrontarlo con la tecnologia al silicio all’avanguardia. Sebbene vi sia ancora margine per ulteriori ottimizzazioni, questo lavoro rappresenta una pietra miliare significativa nello sfruttare i materiali 2D per far progredire il campo dell’elettronica.”

– Ghosh

Quindi, sebbene sia un grande risultato, il lavoro non è ancora concluso. Sono necessarie ulteriori ricerche per sviluppare ulteriormente l’approccio del computer CMOS 2D per un uso più ampio. Tuttavia, Das ha sottolineato la rapida evoluzione del campo rispetto allo sviluppo della tecnologia al silicio.

“La tecnologia al silicio è in sviluppo da circa 80 anni, ma la ricerca sui materiali 2D è relativamente recente, è emersa davvero intorno al 2010. Ci aspettiamo che lo sviluppo dei computer a materiali 2D sarà anch’esso un processo graduale, ma questo è un salto in avanti rispetto alla traiettoria del silicio.”

– Das

Costruire microchip con materiali 2D su larga scala

Qualche mese fa, scienziati in Cina hanno anche segnalato lo sviluppo di un microchip utilizzando disolfuro di molibdeno². Il chip ha 5.931 transistor, ognuno dei quali è spesso tre atomi.

Il disolfuro di molibdeno (MoS2) è ritenuto dagli scienziati capace di consentire la continuazione della legge di Moore una volta che il silicio non potrà più garantire ulteriori progressi.

“Sebbene i materiali 2D siano stati ampiamente promossi per più di un decennio, la reale limitazione al loro sviluppo attuale non è la prestazione di un singolo dispositivo, poiché molti dispositivi elettronici 2D funzionano molto bene a livello di laboratorio.”

– Wenzhong Bao, professore presso l’Università di Fudan

La praticità dei materiali 2D è messa in dubbio a causa della “mancanza di un sistema tecnologico integrato che sia scalabile, ripetibile e compatibile con i processi industriali,” ha aggiunto.

Quindi, il team ha creato un nuovo microchip chiamato RV32-WUJI. Possiede quasi 6.000 transistor MoS2 fabbricati con tecnologie CMOS convenzionali, segnando il passaggio dalla ricerca di laboratorio alle applicazioni ingegneristiche a livello di sistema.

Il microchip è dotato di un’architettura RISC‑V che può eseguire istruzioni standard a 32 bit. Il nuovo processore è costruito su un substrato di zaffiro isolante che separa elettronicamente un transistor dall’altro. È stata inoltre sviluppata una libreria di celle standard per RV32‑WUJI, contenente 25 tipi di unità logiche per eseguire funzioni di base. Per ottimizzare ogni fase del processo, il team ha utilizzato l’apprendimento automatico. 

I ricercatori hanno raggiunto un rendimento di produzione del 99,77 %. Il chip consuma anche appena 0,43 mW di potenza durante l’esecuzione di operazioni aritmetiche. 

Mentre i chip in silicio possiedono milioni di volte più transistor e frequenze operative molto più elevate rispetto al nuovo dispositivo, Bao ha affermato che il nuovo lavoro è basato in un laboratorio, a differenza dei semiconduttori a base di silicio, nei quali negli ultimi decenni sono stati investiti enormi risorse di R&S. Se l’industria adotterà i semiconduttori 2D, “crediamo che il ritmo per raggiungere le prestazioni basate sul silicio sarà più veloce di quanto possiamo immaginare,” ha aggiunto.

Il materiale attivo 2D disolfuro di molibdeno (MoS2) ha recentemente ricevuto un aggiornamento al platino (Pt) a livello atomico in un nuovo studio condotto dall’Università di Vienna e dalla Vienna University of Technology.

I ricercatori hanno incorporato atomi di Pt individuali su un monostrato ultrafine di MoS2 e, per la prima volta, hanno individuato le loro posizioni esatte all’interno del reticolo con precisione atomica tramite un approccio innovativo.

Il loro approccio, che integra la creazione mirata di difetti nel monostrato di MoS2, la deposizione controllata di platino e una tecnica di imaging microscopico computazionale ad alto contrasto, offre, secondo i ricercatori, nuove strade per comprendere e ingegnerizzare caratteristiche a scala atomica nei sistemi 2D.

Oltre il CMOS: Materiali 2D ibridi e percorsi quantistici

I ricercatori cercano da tempo nuovi materiali per sostituire il silicio nell’elettronica di nuova generazione. Questi materiali devono offrire prestazioni più elevate e consumi energetici inferiori mantenendo la scalabilità, il che li porta verso i materiali 2D.

Un lavoro multi‑istituzionale co‑guidato dal MIT di qualche anno fa ha effettivamente raggiunto due innovazioni tecniche ed è stato anche il primo a segnalare che il loro metodo, i dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD), per far crescere materiali semiconduttori renderebbe i dispositivi più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico.

Per creare i nuovi materiali, il team ha dovuto superare tre sfide su scala wafer o su larga scala: garantire la cristallinità singola, le eterostrutture verticali e prevenire spessori non uniformi.

A differenza dei materiali 3D, che subiscono processi di rugosità e levigatura per ottenere una superficie uniforme, i materiali 2D non consentono tale processo, risultando in una superficie irregolare. Ciò rende difficile produrre un materiale 2D su larga scala, di alta qualità e uniforme.

Quindi, il team ha costruito una struttura confinata che promuove il controllo cinetico dei materiali 2D, risolvendo non solo tutte le sfide ma anche richiedendo una crescita di semina auto‑definita per ridurre i tempi di crescita.

L’altra innovazione tecnica è stata la dimostrazione di eterogiunzioni TMD a dominio singolo su larga scala, strato per strato. 

La ricerca sui materiali 2D è in continua espansione, con gli scienziati che cercano costantemente di sbloccare nuove funzionalità per un futuro più avanzato. 

Solo poche settimane fa, scienziati dei materiali della Rice University hanno creato un vero ibrido 2D integrando chimicamente grafene e vetro di silice, due materiali 2D fondamentalmente diversi, in un unico composto chiamato glaphene.

“Gli strati non si limitano a appoggiarsi l’uno sull’altro – gli elettroni si muovono e formano nuove interazioni e stati vibrazionali, dando origine a proprietà che nessuno dei due materiali possiede da solo.” 

In questo sforzo transcontinentale, è stato sviluppato un metodo a due fasi, a reazione singola, per far crescere il glaphene usando un precursore chimico liquido contenente sia carbonio che silicio. Regolando i livelli di ossigeno durante il riscaldamento, hanno potuto prima far crescere il grafene e poi modificare le condizioni a favore della formazione del livello di silice.

È notevole che il metodo possa essere applicato a una vasta gamma di materiali 2D, aprendo la porta allo sviluppo di materiali 2D su misura per l’elettronica di nuova generazione e i dispositivi quantistici.

Scienziati in Corea hanno anche utilizzato materiali semiconduttori 2D per scoprire un nuovo stato quantistico che può alimentare computer quantistici più stabili. Il nuovo stato quantistico scoperto può anche essere sfruttato in un chip semiconduttore 2D per controllare le informazioni quantistiche in modo più affidabile. 

I materiali di piccole dimensioni hanno guidato grandi progressi nel calcolo quantistico da tempo, e le ultime ricerche del Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) stanno aprendo vie per nuovi dispositivi riconfigurabili per l’archiviazione dei dati. 

“Abbiamo scoperto un nuovo stato quantistico, noto come stato di sintesi ecciton‑Floquet, e proposto un nuovo meccanismo per l’entanglement quantistico e l’estrazione di informazioni quantistiche. Ci si aspetta che ciò spinga in avanti la ricerca sulla tecnologia dell’informazione quantistica nei semiconduttori bidimensionali.”

– Jaedong Lee of DGIST

L’anno scorso, scienziati della JMU Würzburg e della TU Dresden hanno sviluppato un rivestimento protettivo per i materiali quantistici 2D per proteggerli dalle influenze ambientali senza compromettere le loro proprietà rivoluzionarie. 

Gli scienziati avevano precedentemente scoperto che i semiconduttori quantistici estremamente sottili richiedono apparecchiature a vuoto sofisticate e un materiale di substrato specifico. L’utilizzo di materiale 2D nei componenti elettronici implica la rimozione dall’ambiente di vuoto, ma anche una breve esposizione all’aria porta all’ossidazione e distrugge le sue proprietà, “rendendolo inutilizzabile.”

Quindi, il team ha cercato un metodo per proteggere lo strato sensibile dagli elementi ambientali usando un rivestimento protettivo. Dopo due anni, hanno avuto successo. Il team ha utilizzato strumenti avanzati a vuoto ultraalto per sperimentare il riscaldamento del carburo di silicio come substrato per l’indenene.

Il team vede questo come una via per applicazioni che coinvolgono strati atomici di semiconduttori estremamente sensibili. Ora il team sta identificando altri materiali van der Waals da utilizzare come strati protettivi.

Investire nella tecnologia dei semiconduttori 2D

Lavorando attivamente per affrontare le sfide della riduzione delle dimensioni dei transistor, Applied Materials (AMAT ) svolge un ruolo significativo nello sviluppo e nella scalatura dei semiconduttori 2D. È infatti una delle poche aziende posizionate per consentire la transizione industriale alla produzione di semiconduttori 2D attraverso attrezzature di fabbricazione e chimica di processo.

La performance di mercato della Applied Materials, con una capitalizzazione di 137 miliardi di dollari, mostra anche una forte tendenza al rialzo. 

Applied Materials (AMAT )

Attualmente, le azioni di Applied Materials sono scambiate a 170,50 $, in rialzo del 4,9 % YTD e in calo solo del 33,6 % rispetto al suo massimo storico raggiunto lo scorso estate. Il suo EPS (TTM) è 8,21, e il P/E (TTM) è 20,78, mentre il rendimento da dividendo offerto è dell’1,08 %.

Per quanto riguarda i dati finanziari dell’azienda, Applied Materials ha riportato un fatturato di 7,10 miliardi di dollari, con un aumento del 7 % su base annua, per il secondo trimestre conclusosi il 27 aprile 2025.

Questa “forte performance” è stata conseguita “nonostante l’ambiente economico e commerciale dinamico,” ha dichiarato Brice Hill, Senior Vice President e CFO. L’azienda ha anche segnalato nessun cambiamento significativo nella domanda dei clienti.

Il suo margine lordo GAAP era del 49,1 % e il margine lordo non‑GAAP del 49,2 %, mentre l’EPS GAAP è aumentato del 28 % a 2,63 $ e l’EPS non‑GAAP è salito del 14 % a 2,39 $. Durante questo periodo, l’azienda ha generato 1,57 miliardi di dollari di liquidità dalle operazioni e ha distribuito 2 miliardi di dollari agli azionisti tramite 325 milioni di dollari di dividendi e 1,67 miliardi di riacquisti di azioni.

“Le ampie capacità di Applied Materials e il portafoglio di prodotti connessi stanno guidando risultati solidi nel 2025 in un contesto macro altamente dinamico.”

– CEO Gary Dickerson

Ha indicato il calcolo AI ad alte prestazioni ed efficiente dal punto di vista energetico come il principale motore dell’innovazione nei semiconduttori.

Ultime notizie e sviluppi sulle azioni di Applied Materials (AMAT)

Conclusione

Costruendo i primi computer CMOD funzionanti al mondo completamente realizzati con materiali 2D spessi un atomo, i ricercatori non solo hanno sfidato il dominio di lunga data del silicio nell’elettronica, ma hanno anche presentato una soluzione al problema attuale di rendere i dispositivi elettronici più piccoli, più veloci e migliori.

Oltre 2.000 transistor fabbricati dal team sono in grado di eseguire operazioni logiche su un computer, eliminando la necessità del tradizionale silicio.

Sebbene sia ancora nelle fasi iniziali, la scoperta indica un futuro entusiasmante in cui elettronica ad alte prestazioni, più efficiente dal punto di vista energetico e più sottile, alimentata da materiali spessi un solo atomo, diventerà la nuova realtà.

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Studi citati:

^{1. Ghosh, S.; Zheng, Y.; Rafiq, M.; et al. Un computer a un’istruzione basato su materiale bidimensionale complementare. Nature 2025, 642 (12), 327–335. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08963-7}
2. Ao, M.; Zhou, X.; Kong, X.; et al. Un microprocessore RISC‑V a 32 bit basato su semiconduttori bidimensionali. 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. Giunzioni P‑N programmabili in transistor semiconduttori bidimensionali. 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: una ibridazione di vetro di silice 2D e grafene. Adv. Mater. 2025, Pubblicato il Online 28 maggio 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202419136
5. Park, H.; Park, N.; Lee, J. Nuovi stati quantistici di compositi ecciton‑Floquet: entanglement elettrone‑buco e informazione. Nano Lett. 2024, 24 (42), 13192–13199. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03100