Computador CMOS 2D Inicia uma Nova Era de Alternativas ao Silício

No mundo da tecnologia de semicondutores, que forma a base da eletrônica moderna, o silício (Si) é o material mais amplamente utilizado.

O segundo elemento mais abundante na Terra após o oxigênio, o silício possibilitou avanços na tecnologia de semicondutores por meio da miniaturização. De microprocessadores a automação, computadores, smartphones e veículos elétricos, ele gerou inovações na eletrônica ao reduzir significativamente o tamanho físico dos dispositivos.

Mas agora, desafios de escalonamento tornaram necessário explorar novos materiais. Aqui, materiais bidimensionais (2D) mostram potencial para avanços sem precedentes no desempenho de dispositivos em nível atômico.

Materiais 2D são nanomateriais ultrafinos com uma única camada de átomos. Possuem alto grau de anisotropia e funcionalidade química, e suas propriedades eletrônicas atrativas os tornam utilizáveis em uma ampla gama de aplicações. O grafeno é um material 2D popular. 

Portanto, com sua espessura atômica e alta mobilidade de portadores, os materiais 2D oferecem uma alternativa promissora. Também foram feitos progressos significativos no crescimento em escala de wafer, transistores de efeito de campo (FET) de alto desempenho e circuitos baseados nesses materiais.

FET é um tipo de transistor que usa um campo elétrico para controlar a corrente através de um semicondutor. Servindo como um componente eletrônico crucial na eletrônica moderna, um FET atua como um interruptor controlado em circuitos de energia de alta tensão e alta frequência.

Embora muito progresso tenha sido feito, alcançar a integração de metal‑óxido‑semicondutor complementar (CMOS) continua sendo um desafio. 

CMOS é um tipo de tecnologia usada na fabricação de circuitos integrados, particularmente em processadores de computador, chips de memória e outros dispositivos digitais. Ela ajuda a regular o fluxo de eletricidade através desses componentes, o que é crucial para o funcionamento adequado.

Notavelmente, o CMOS usa transistores do tipo n (NMOS) e do tipo p (PMOS) de forma complementar para alcançar funções lógicas. 

Transistores do tipo n conduzem eletricidade usando elétrons carregados negativamente como portadores de carga principais e permitem que a corrente flua. Nos transistores do tipo p, a maioria dos portadores de carga são lacunas (cargas positivas), e eles permitem que a corrente flua da fonte de alimentação para a saída.

No CMOS, metal‑óxido‑semicondutor refere-se aos materiais usados na construção dos transistores: metal para o gate, óxido para isolamento e semicondutor de silício para o canal. 

O que torna o CMOS poderoso é que ele permite a criação de circuitos eletrônicos complexos em um único chip semicondutor. Além disso, os transistores CMOS consomem menos energia em comparação com outras tecnologias, pois só utilizam energia ao alternar entre os estados (ligado/desligado). Além do mais, os circuitos CMOS são conhecidos por sua alta confiabilidade.

Agora, pesquisadores da Penn State superaram o desafio de integrar CMOS com materiais 2D. 

O que eles fizeram foi desenvolver um computador de conjunto de instruções único 2D baseado na tecnologia CMOS. Ele aproveita a integração heterogênea de transistores de efeito de campo (FET) de grande área do tipo n MoS2 e do tipo p WSe2.

A equipe conseguiu alcançar altas correntes de condução e reduzir o vazamento sublimiar ao ajustar as tensões de limiar para os FETs 2D de tipo n e p. Isso foi realizado ao reduzir o comprimento do canal, incorporando um dielétrico de porta de alta‑κ e otimizando o crescimento do material e o pós‑processamento dos dispositivos.

Isso permitiu a operação do circuito abaixo de 3 V com frequência de até 25 kHz, além de consumo de energia ultra‑baixo na faixa de picowatts e energia de comutação de cerca de 100 pJ.

Computador CMOS 2D da Penn State Empurra o Limite Atômico

O silício é o líder em tecnologia de semicondutores, mas ao contrário desse elemento químico, materiais 2D com espessura de um átomo conseguem manter suas propriedades nessa escala.

Depois de impulsionar “avanços notáveis na eletrônica por décadas ao permitir a miniaturização contínua de transistores de efeito de campo (FETs)”, o silício está enfrentando um grande desafio para tornar os dispositivos ainda melhores e menores. 

“À medida que os dispositivos de silício encolhem, seu desempenho começa a degradar,” observou o líder do estudo, Saptarshi Das, que é o Professor Ackley de Engenharia e professor de ciência e mecânica da engenharia na Penn State.

Em contraste, os materiais 2D mantêm suas propriedades eletrônicas excepcionais mesmo em sua espessura atômica, oferecendo, portanto, “um caminho promissor adiante”. Assim, no trabalho pioneiro, a equipe de pesquisadores usou materiais 2D para desenvolver um computador capaz de operações simples.

Publicado na Nature¹, o estudo, apoiado pelo Office of Naval Research, pelo Army Research Office e em parte pela U.S. National Science Foundation, detalhou o grande salto na realização de eletrônicos mais finos, mais rápidos e mais eficientes energeticamente.

Como mencionado acima, eles criaram um computador CMOS sem depender do silício, um metaloide tetravalente que apresenta propriedades intermediárias entre metais e não‑metais. Os pesquisadores o substituíram por dois materiais 2D diferentes para desenvolver os dois tipos de transistores necessários em computadores CMOS para controlar o fluxo elétrico.

Para transistores do tipo n, eles usaram dissulfeto de molibdênio (MoS2), uma classe de materiais inorgânicos 2D de dicalcogenetos de metais de transição (TMDCs) que apresentam baixo coeficiente de atrito, excelente estabilidade térmica e alta resistência ao desgaste, sob condições específicas. 

Para transistores do tipo p, utiliza‑se seleneto de tungstênio (WSe2). O composto inorgânico tem uma estrutura cristalina hexagonal semelhante ao dissulfeto de molibdênio e é conhecido por suas propriedades eletrônicas únicas, incluindo alta mobilidade de portadores, uma banda proibida considerável e uma notável relação liga‑desliga. 

A tecnologia CMOS requer semicondutores do tipo n e do tipo p para trabalharem juntos a fim de alcançar alto desempenho com baixo consumo de energia. Isso, porém, tem sido um desafio crucial que impede os esforços de avançar além do silício. 

E embora estudos tenham demonstrado que pequenos circuitos baseados em materiais 2D podem ser escalados para computadores complexos e funcionais, essa conquista ainda não foi alcançada.

De acordo com os pesquisadores, esse é o avanço chave de seu trabalho. Pela primeira vez, eles construíram um computador CMOS inteiramente a partir de materiais 2D, combinando transistores de dissulfeto de molibdênio e seleneto de tungstênio cultivados em grande área.

Para fabricar o transistor, a equipe usou um processo chamado deposição química de vapor metal‑orgânica (MOCVD). Nesse processo, os ingredientes são vaporizados, forçando uma reação química e depositando os produtos sobre um substrato.

Usando MOCVD, a equipe cultivou grandes folhas de dissulfeto de molibdênio e seleneto de tungstênio e fabricou mais de 1.000 de cada tipo de transistor. 

Então, por meio de mudanças cuidadosas na fabricação do dispositivo e no pós‑processamento, a equipe conseguiu ajustar as tensões de limiar dos transistores de tipo n e p, permitindo, por sua vez, o desenvolvimento de circuitos lógicos CMOS totalmente funcionais.

“Nosso computador CMOS 2D opera em tensões de alimentação baixas com consumo mínimo de energia e pode executar operações lógicas simples em frequências de até 25 quilohertz.” 

Embora essa frequência de operação seja baixa em comparação com a dos circuitos CMOS de silício convencionais, Ghosh observou que seu computador ainda consegue executar operações lógicas simples.

“Também desenvolvemos um modelo computacional, calibrado usando dados experimentais e incorporando variações entre dispositivos, para projetar o desempenho do nosso computador CMOS 2D e compará‑lo com a tecnologia de silício de ponta. Embora ainda haja espaço para otimização adicional, este trabalho marca um marco significativo na exploração de materiais 2D para avançar o campo da eletrônica.”

– Ghosh

Portanto, embora seja uma grande conquista, o trabalho ainda não terminou. Mais pesquisas são necessárias para desenvolver ainda mais a abordagem do computador CMOS 2D para uso mais amplo. Contudo, Das enfatizou o rápido avanço do campo em comparação com o desenvolvimento da tecnologia de silício.

“A tecnologia de silício tem sido desenvolvida há cerca de 80 anos, mas a pesquisa em materiais 2D é relativamente recente, surgindo realmente por volta de 2010. Esperamos que o desenvolvimento de computadores de material 2D seja também um processo gradual, mas este é um salto à frente comparado à trajetória do silício.”

– Das

Construindo Microchips com Materiais 2D em Escala

Há alguns meses, cientistas na China também relataram desenvolver um microchip² usando dissulfeto de molibdênio. O chip possui 5.931 transistores, cada um com três átomos de espessura.

Dissulfeto de molibdênio (MoS2) é acreditado pelos cientistas como capaz de permitir a continuação da Lei de Moore uma vez que o silício não possa mais proporcionar progresso adicional.

“Embora os materiais 2D tenham sido amplamente defendidos por mais de uma década, a limitação real ao seu desenvolvimento atual não é o desempenho de um único dispositivo, já que muitos dispositivos eletrônicos 2D funcionam muito bem em nível de laboratório.”

– Wenzhong Bao, professor da Universidade Fudan

A praticidade dos materiais 2D está sendo questionada devido à “falta de um sistema tecnológico integrado que seja escalável, repetível e compatível com processos industriais,” acrescentou.

Assim, a equipe criou um microchip inovador chamado RV32-WUJI. Ele possui quase 6.000 transistores MoS2 fabricados usando tecnologias CMOS convencionais, marcando a transição da pesquisa de laboratório para aplicações de engenharia em nível de sistema.

O microchip está equipado com uma arquitetura RISC‑V que pode executar instruções padrão de 32 bits. O novo processador é construído sobre um substrato de safira isolante que separa eletronicamente um transistor do outro. Uma biblioteca de células padrão também foi desenvolvida para o RV32‑WUJI, contendo 25 tipos de unidades lógicas para executar funções básicas. Para otimizar cada etapa do processo, a equipe usou aprendizado de máquina.

Os pesquisadores alcançaram um rendimento de fabricação de 99,77%. O chip também consome apenas 0,43 milivatts de energia ao realizar operações aritméticas. 

Embora chips de silício possuam milhões de vezes mais transistores e frequências de operação muito mais rápidas que o novo dispositivo, Bao afirmou que o novo trabalho está baseado em laboratório, em contraste com os semicondutores baseados em silício, nos quais enormes recursos de P&D foram investidos nas últimas décadas. Se a indústria adotar semicondutores 2D, “acreditamos que o ritmo de alcançar o desempenho baseado em silício será mais rápido do que podemos imaginar,” acrescentou.

O material ativo 2D dissulfeto de molibdênio (MoS2) recentemente também recebeu uma atualização de platina (Pt) em nível atômico em um novo estudo³ conduzido pela Universidade de Viena e pela Universidade Técnica de Viena.

Os pesquisadores incorporaram átomos individuais de Pt em uma monocamada ultrafina de MoS2 e, pela primeira vez, localizaram suas posições exatas dentro da rede com precisão atômica por meio de uma abordagem inovadora.

Sua abordagem, que integra a criação direcionada de defeitos na monocamada de MoS2, deposição controlada de platina e uma técnica de imagem microscópica computacional de alto contraste, acredita‑se, oferece novos caminhos para compreender e projetar características em escala atômica em sistemas 2D.

Além do CMOS: Materiais 2D Híbridos e Caminhos Quânticos

Pesquisadores têm buscado novos materiais para substituir o silício em eletrônicos de próxima geração há muito tempo. Esses materiais precisam oferecer desempenho superior e menor consumo de energia, além de escalabilidade, o que os direciona aos materiais 2D.

Um trabalho multi‑institucional co‑liderado pelo MIT há alguns anos realmente alcançou duas inovações técnicas e foi também o primeiro a relatar que seu método, dicalcogenetos de metais de transição (TMD), para crescer materiais semicondutores tornaria os dispositivos mais rápidos e mais eficientes energeticamente.

Para criar os novos materiais, a equipe teve de superar três desafios em escala de wafer ou grande escala: garantir cristalinidade única, heteroestruturas verticais e prevenir espessura não uniforme.

Ao contrário dos materiais 3D, que passam por rugosidade e alisamento para alcançar uma superfície uniforme, os materiais 2D não permitem esse processo, resultando em superfície irregular. Isso dificulta a produção de um material 2D de grande escala, alta qualidade e uniforme.

Portanto, a equipe construiu uma estrutura confinada que promove o controle cinético dos materiais 2D, o que não apenas resolveu todos os desafios, mas também exigiu crescimento por semeadura auto‑definida para um tempo de crescimento mais curto.

A outra inovação técnica foi demonstrar heterojunções TMD de domínio único em grande escala, camada por camada. 

A pesquisa em materiais 2D está realmente em expansão constante, com cientistas tentando continuamente desbloquear novas funcionalidades para um futuro mais avançado. 

Há apenas algumas semanas, cientistas de materiais da Rice University criaram um verdadeiro híbrido 2D⁴ ao integrar quimicamente grafeno e vidro de sílica, dois materiais 2D fundamentalmente diferentes, em um composto chamado glaphene.

According to the study’s first author, Sathvik Ajay Iyengar:

“As camadas não apenas repousam uma sobre a outra ⎯ elétrons se movem e formam novas interações e estados de vibração, originando propriedades que nenhum dos materiais possui isoladamente.” 

Neste esforço intercontinental, foi desenvolvido um método de duas etapas e reação única para crescer glaphene usando um precursor químico líquido contendo tanto carbono quanto silício. Ajustar os níveis de oxigênio durante o aquecimento permitiu primeiro crescer grafeno e depois mudar as condições em favor da formação da camada de sílica.

Notavelmente, o método pode ser aplicado a uma ampla gama de materiais 2D, abrindo caminho para o desenvolvimento de materiais 2D personalizados para eletrônicos de próxima geração e dispositivos quânticos.

Cientistas na Coreia também utilizaram materiais semicondutores 2D para descobrir um novo estado quântico⁵ que pode impulsionar computadores quânticos mais estáveis. O novo estado quântico descoberto também pode ser aproveitado em um chip semicondutor 2D para controlar informações quânticas de forma mais confiável. 

Materiais diminutos têm liderado grandes avanços na computação quântica há algum tempo, e a pesquisa mais recente do Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) está abrindo vias para novos dispositivos reconfiguráveis para armazenamento de dados. 

“Descobrimos um novo estado quântico, conhecido como estado de síntese exciton‑Floquet, e propusemos um mecanismo inovador para emaranhamento quântico e extração de informação quântica. Espera‑se que isso impulsione a pesquisa em tecnologia de informação quântica em semicondutores bidimensionais.”

– Jaedong Lee do DGIST

No ano passado, cientistas da JMU Würzburg e da TU Dresden, entretanto, desenvolveram um revestimento protetor para materiais quânticos 2D a fim de protegê‑los de influências ambientais sem comprometer suas propriedades revolucionárias. 

Os cientistas haviam descoberto previamente que semicondutores quânticos extremamente finos requerem equipamentos de vácuo sofisticados e um material de substrato específico. Utilizar material 2D em componentes eletrônicos significa removê‑los do ambiente de vácuo, mas até mesmo uma breve exposição ao ar leva à oxidação e destrói suas propriedades, “tornando‑os inúteis.”

Assim, a equipe procurou um método para proteger a camada sensível de elementos ambientais usando um revestimento protetor. Após dois anos, obtiveram sucesso. A equipe utilizou ferramentas avançadas de ultra‑alto vácuo para experimentar o aquecimento de carbeto de silício como substrato para indeneno.

A equipe vê isso como um caminho para aplicações que envolvem camadas atômicas de semicondutores extremamente sensíveis. Agora, está identificando mais materiais de van‑der‑Waals para servir como camadas protetoras.

Investindo em Tecnologia de Semicondutores 2D

Trabalhando ativamente para enfrentar os desafios de redução das dimensões dos transistores, Applied Materials (AMAT ) desempenha um papel significativo no desenvolvimento e escalonamento de semicondutores 2D. Na verdade, é uma das poucas empresas posicionadas para viabilizar a transição industrial para a produção de semicondutores 2D por meio de equipamentos de fabricação e química de processos.

O desempenho de mercado da Applied Materials, com capitalização de US$ 137 bilhões, também revela uma forte tendência de alta. 

Applied Materials (AMAT )

Atualmente, as ações da Applied Materials estão sendo negociadas a US$ 170,50, alta de 4,9% no ano e queda de apenas 33,6% em relação ao seu ATH atingido no verão passado. Seu EPS (TTM) é 8,21, e o P/E (TTM) é 20,78, enquanto o rendimento de dividendos oferecido é 1,08%.

Quanto às finanças da empresa, a Applied Materials reportou receita de US$ 7,10 bilhões, um aumento de 7% em relação ao ano anterior, para o segundo trimestre encerrado em 27 de abril de 2025.

Esse “forte desempenho” foi entregue “apesar do ambiente econômico e comercial dinâmico,” disse Brice Hill, Vice‑Presidente Sênior e CFO. A empresa também relatou que não houve mudanças significativas na demanda dos clientes.

Sua margem bruta GAAP foi 49,1% e sua margem bruta non‑GAAP foi 49,2%, enquanto o EPS GAAP disparou 28% para US$ 2,63 e o EPS non‑GAAP subiu 14% para US$ 2,39. Durante esse período, a empresa gerou US$ 1,57 bilhão em caixa das operações e distribuiu US$ 2 bilhões aos acionistas por meio de US$ 325 milhões em dividendos e US$ 1,67 bilhão em recompra de ações.

“As amplas capacidades da Applied Materials e seu portfólio de produtos conectado estão impulsionando resultados fortes em 2025 em meio a um ambiente macro altamente dinâmico.”

– CEO Gary Dickerson

Ele apontou que a computação de IA de alto desempenho e eficiência energética continua sendo o principal motor da inovação em semicondutores.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Applied Materials (AMAT)

Conclusão

Ao construir os primeiros computadores CMOD funcionais do mundo completamente a partir de materiais 2D de espessura atômica, os pesquisadores não apenas desafiaram a longa dominância do silício na eletrônica, mas também apresentaram uma solução para o problema existente de tornar os dispositivos eletrônicos menores, mais rápidos e melhores.

Mais de 2.000 transistores fabricados pela equipe são capazes de executar operações lógicas em um computador, eliminando a necessidade do silício tradicional.

Embora ainda esteja em fase inicial, a descoberta aponta para um futuro empolgante onde eletrônicos de alto desempenho, mais eficientes energeticamente e mais finos, alimentados por materiais de apenas um átomo de espessura, se tornarão a nova realidade.

Clique aqui para saber por que semicondutores em camadas podem ser o próximo salto no armazenamento de memória.

Estudos Referenciados:

^{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, Publicado em Online 28 de maio de 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