2D CMOS Bilgisayar, Silikon Alternatifleri İçin Yeni Bir Dönemi Ateşliyor

Yarı iletken teknolojisi dünyasında, modern elektroniğin temelini oluşturan, silikon (Si) en yaygın kullanılan malzemedir.

Oksijenden sonra Dünya’da ikinci en bol element olan silikon, yarı iletken teknolojisinde miniaturizasyon sayesinde ilerlemeleri mümkün kılmıştır. Mikroişlemcilerden otomasyona, bilgisayarlardan akıllı telefonlara ve elektrikli araçlara kadar, cihazların fiziksel boyutlarını önemli ölçüde küçülterek elektronik alanda çığır açmıştır.

Ancak şimdi, ölçeklendirme zorlukları yeni malzemeler keşfetmeyi gerekli kılmıştır. İşte burada, iki boyutlu (2D) malzemeler atomik seviyede cihaz performansında benzeri görülmemiş ilerlemeler vaat etmektedir.

2D malzemeler, tek bir atom tabakasına sahip ultra ince nanomalzemelerdir. Yüksek derecede anizotropi ve kimyasal işlevsellik gösterirler ve çekici elektronik özellikleri sayesinde geniş bir uygulama yelpazesinde kullanılabilirler. Grafen popüler bir 2D malzemedir.

Dolayısıyla, atomik kalınlıkları ve yüksek taşıyıcı mobiliteleri sayesinde 2D malzemeler umut verici bir alternatif sunar. Ayrıca, wafer ölçeğinde büyüme, yüksek performanslı alan etkili transistörler (FET) ve bu malzemelere dayalı devrelerde de önemli ilerlemeler kaydedilmiştir.

FET, akımı bir yarı iletken üzerinden kontrol etmek için bir elektrik alanı kullanan bir transistör türüdür. Modern elektroniklerde kritik bir bileşen olarak, yüksek voltaj ve yüksek frekanslı güç devrelerinde kontrollü bir anahtar görevi görür.

Birçok ilerleme kaydedilmiş olsa da, tamamlayıcı metal-oksit-yarı iletken (CMOS) entegrasyonunu sağlamak hâlâ bir zorluktur.

CMOS, özellikle bilgisayar işlemcileri, bellek çipleri ve diğer dijital cihazlarda entegre devrelerin üretiminde kullanılan bir teknoloji türüdür. Bu bileşenler arasındaki elektrik akışını düzenlemeye yardımcı olur ve bu, düzgün çalışması için hayati öneme sahiptir.

Özellikle, CMOS, mantık fonksiyonlarını gerçekleştirmek için n-tipi (NMOS) ve p-tipi (PMOS) transistörleri tamamlayıcı bir şekilde kullanır.

N-tipi transistörler, birincil taşıyıcı olarak negatif yüklü elektronları kullanarak elektriği iletir ve akımın akmasını sağlar. P-tipi transistörlerde ise çoğunluk taşıyıcıları delikler (pozitif yükler) olup, akımı güç kaynağından çıkışa doğru yönlendirir.

CMOS’ta metal-oksit-yarı iletken, transistörlerin yapımında kullanılan malzemelere işaret eder: kapı için metal, yalıtım için oksit ve kanal için silikon yarı iletken.

CMOS’u güçlü kılan, tek bir yarı iletken çip üzerinde karmaşık elektronik devrelerin oluşturulmasına olanak tanımasıdır. Ayrıca, CMOS transistörleri, yalnızca durumlar (açık/kapalı) arasında geçiş yaparken güç tükettiği için diğer teknolojilere göre daha düşük enerji kullanır. Dahası, CMOS devreleri yüksek güvenilirlikleriyle bilinir.

Şimdi, Penn State’tan araştırmacılar, CMOS’u 2D malzemelerle entegre etme zorluğunu aşmışlardır.

Yaptıkları, CMOS teknolojisine dayalı 2D tek talimat seti bilgisayarı geliştirmektir. Bu, büyük alanlı n-tipi MoS2 ve p-tipi WSe2 alan etkili transistörlerin heterojen entegrasyonundan yararlanır.

Ekip, hem n- hem de p-tipi 2D FET’lerin eşik gerilimlerini ayarlayarak yüksek sürücü akımları ve azaltılmış alt eşik sızıntısı elde etti. Bu, kanal uzunluğunu ölçeklendirerek, yüksek-κ kapı dielektriği ekleyip malzeme büyümesini ve cihaz sonrası işleme süreçlerini optimize etmeleriyle mümkün oldu.

Bu, devrenin 3 V altında çalışmasını ve 25 kHz’e kadar çalışma frekansını, picowatt seviyesinde ultra düşük güç tüketimini ve yaklaşık 100 pJ’lik anahtarlama enerjisini mümkün kıldı.

Penn State’in 2D CMOS Bilgisayarı Atomik Sınırı Zorlayarak İleri Taşıyor

Silikon, yarı iletken teknolojisinde lider konumda, ancak bu kimyasal elementin aksine, tek atom kalınlığındaki 2D malzemeler bu ölçekte özelliklerini koruyabilir.

“Yüzlerce yıldır alan etkili transistörlerin (FET) sürekli miniaturizasyonunu mümkün kılarak elektronik alanda ‘dikkate değer ilerlemeler’ sağlayan silikon, cihazları daha iyi ve daha küçük hâle getirme konusunda büyük bir zorlukla karşı karşıyadır.”

“Silikon cihazlar küçüldükçe, performansları bozulmaya başlar,” diye belirtti çalışmanın lideri, Penn State’ta Ackley Mühendislik Profesörü ve mühendislik bilimi ve mekaniği profesörü olan Saptarshi Das.

Buna karşılık, 2D malzemeler atomik kalınlıklarında bile olağanüstü elektronik özelliklerini korur ve bu nedenle “umut vaat eden bir yol” sunar. Bu öncü çalışmada, araştırmacı ekibi 2D malzemeleri kullanarak basit işlemleri gerçekleştirebilen bir bilgisayar geliştirdi.

Nature dergisinde yayımlanan Nature¹ çalışması, Naval Research Ofisi, Army Research Office ve ABD Ulusal Bilim Vakfı’nın bir kısmı tarafından desteklenmiş ve daha ince, daha hızlı ve daha enerji verimli elektroniklerin gerçekleştirilmesindeki büyük adımı detaylandırmıştır.

Yukarıda belirtildiği gibi, silikon gibi metalik olmayan bir elemente (tetravalent metalloid) bağımlı olmayan bir CMOS bilgisayar oluşturmuşlardır. Araştırmacılar, CMOS bilgisayarlarında elektrik akışını kontrol etmek için gereken iki tip transistörü geliştirmek amacıyla iki farklı 2D malzeme ile silikonu değiştirmiştir.

n-tipi transistörler için molibden disülfür (MoS2) kullandılar; bu, düşük sürtünme katsayısı, mükemmel termal stabilite ve belirli koşullarda yüksek aşınma direnci sunan 2D geçiş metal dikalkojen (TMDC) inorganik malzemeler sınıfıdır.

p-tipi transistörler için tungsten diselenid (WSe2) kullanıldı. Bu inorganik bileşik, molibden disülfüre benzer hekzagonal kristal yapıya sahiptir ve yüksek taşıyıcı mobilitesi, geniş bir bant aralığı ve dikkat çekici bir açma‑kapama oranı gibi benzersiz elektronik özellikleriyle bilinir.

CMOS teknolojisi, düşük güç tüketiminde yüksek performans elde etmek için hem n-tipi hem de p-tipi yarı iletkenlerin birlikte çalışmasını gerektirir. Ancak bu, silikonun ötesine geçme çabalarını engelleyen temel bir zorluk olmuştur.

Ve çalışmalar, 2D malzemelere dayalı küçük devrelerin karmaşık, fonksiyonel bilgisayarlara ölçeklenebileceğini gösterse de, bu başarı henüz elde edilmemiştir.

Araştırmacılara göre, bu çalışmalarının kilit ilerlemesidir. İlk kez, büyük alanlı büyütülmüş molibden disülfür ve tungsten diselenid transistörlerini birleştirerek tamamen 2D malzemelerden bir CMOS bilgisayar inşa etmişlerdir.

Transistörleri üretmek için ekip, metal-organik kimyasal buhar biriktirme (MOCVD) adı verilen bir süreç kullandı. Bu süreçte, bileşenler buharlaştırılır, kimyasal bir reaksiyon zorlanır ve ürünler bir alt tabakaya biriktirilir.

MOCVD kullanarak ekip, molibden disülfür ve tungsten diselenid’in büyük yapraklarını büyüttü ve her iki tip transistörden 1.000’den fazla üretti.

Ardından, cihaz üretiminde ve son işlemde dikkatli değişiklikler yaparak, ekip n- ve p-tipi transistörlerin eşik gerilimlerini ayarlamayı başardı; bu da tamamen işlevsel CMOS mantık devrelerinin geliştirilmesine olanak sağladı.

“2D CMOS bilgisayarımız düşük besleme voltajlarıyla minimum güç tüketimiyle çalışır ve 25 kilohertz’e kadar frekansta basit mantık işlemleri gerçekleştirebilir.”

Bu çalışma frekansı geleneksel silikon CMOS devrelerine göre düşük olsa da, Ghosh bu bilgisayarın hâlâ basit mantık işlemlerini gerçekleştirebildiğini belirtti.

“Ayrıca, deneysel verilerle kalibre edilmiş ve cihazlar arasındaki varyasyonları içeren bir hesaplama modeli geliştirdik; bu model, 2D CMOS bilgisayarımızın performansını tahmin etmek ve en son silikon teknolojisiyle karşılaştırmak için kullanıldı. Daha fazla optimizasyon için hâlâ alan olsa da, bu çalışma 2D malzemeleri kullanarak elektronik alanını ilerletmede önemli bir kilometre taşıdır.”

– Ghosh

Dolayısıyla, büyük bir başarı olmasına rağmen, çalışma henüz tamamlanmadı. 2D CMOS bilgisayar yaklaşımının daha geniş kullanım için geliştirilmesi adına daha fazla araştırma gerekmektedir. Ancak Das, alanın silikon teknolojisinin gelişimine kıyasla ne kadar hızlı ilerlediğini vurguladı.

“Silikon teknolojisi yaklaşık 80 yıldır geliştirilirken, 2D malzemeler üzerine araştırmalar nispeten yeni, sadece 2010 civarında ortaya çıkmıştır. 2D malzeme bilgisayarlarının geliştirilmesinin de zamanla ilerleyeceğini düşünüyoruz, ancak bu silikonun gelişim yoluna kıyasla bir adım önde bir sıçrama.”

– Das

2D Malzemelerle Mikroçip Üretimi Ölçekli Olarak

Birkaç ay önce, Çin’deki bilim insanları da molibden disülfür kullanarak bir mikroçip geliştirdiklerini bildirdi. mikroçip geliştirme² Çip, üç atom kalınlığında olan 5.931 transistöre sahiptir.

Molibden disülfür (MoS2), bilim insanları tarafından, silikon daha fazla ilerleme sağlayamaz hale geldiğinde Moore Yasası’nın devamını mümkün kılacağına inanılmaktadır.

“2D malzemeler bir on yıldan fazla bir süredir geniş çapta savunulmuş olsa da, mevcut gelişimlerinin gerçek sınırlaması tek bir cihazın performansı değildir; birçok 2D elektronik cihaz laboratuvar seviyesinde çok iyi çalışmaktadır.”

– Wenzhong Bao, Fudan Üniversitesi’nden bir profesör

2D malzemelerin pratikliği, “ölçeklenebilir, tekrarlanabilir ve endüstriyel süreçlerle uyumlu bir bütünleşik teknoloji sisteminin eksikliği” nedeniyle sorgulanmaktadır.

Bu nedenle ekip, RV32-WUJI adlı yeni bir mikroçip yarattı. Bu çip, geleneksel CMOS teknolojileri kullanılarak üretilen neredeyse 6.000 MoS2 transistörüne sahiptir ve laboratuvar araştırmasından sistem seviyeli mühendislik uygulamalarına geçişi işaret etmektedir.

Mikroçip, standart 32-bit talimatları yürütebilen bir RISC-V mimarisiyle donatılmıştır. Yeni işlemci, transistörleri elektronik olarak birbirinden ayıran yalıtkan safir bir alt tabaka üzerine inşa edilmiştir. RV32-WUJI için 25 farklı mantık birimini içeren bir standart hücre kütüphanesi de geliştirilmiştir. Sürecin her adımını optimize etmek için ekip makine öğrenimini kullandı.

Araştırmacılar, %99,77’lik bir üretim verimi elde etti. Çip, aritmetik işlemler gerçekleştirirken yalnızca 0,43 milivat güç tüketiyor.

Silicon çipler, milyonlarca kat daha fazla transistöre ve çok daha yüksek çalışma frekansına sahip olsa da, Bao bu yeni çalışmanın bir laboratuvar ortamında yapıldığını ve silikon tabanlı yarı iletkenlere, son birkaç on yılda büyük bir Ar‑Ge kaynağı yatırımı yapıldığını belirtti. Endüstri 2D yarı iletkenleri benimserse, “silicon tabanlı performansla yakalanma hızının hayal edebileceğimizden daha hızlı olacağına inanıyoruz,” diye ekledi.

2D aktif malzeme molibden disülfür (MoS2) yakın zamanda bir platin (Pt) yükseltmesi aldı; bu, Viyana Üniversitesi ve Viyana Teknik Üniversitesi tarafından yürütülen yeni bir çalışma³ ile gerçekleşti.

Araştırmacılar, bireysel Pt atomlarını ultra ince bir MoS2 monolayer’ine gömdüler ve ilk kez bu atomların kristal kafes içindeki tam konumlarını atomik hassasiyetle belirlediler.

MoS2 monolayer’inde hedeflenmiş kusur oluşturma, kontrollü platin biriktirme ve yüksek kontrastlı hesaplamalı mikroskobik görüntüleme tekniğini birleştiren yaklaşımları, araştırmacıların 2D sistemlerde atomik ölçekli özellikleri anlamak ve mühendislik yapmak için yeni yollar sunduğuna inanıyor.

CMOS’un Ötesinde: Hibrit 2D Malzemeler ve Kuantum Yolları

Araştırmacılar, bir süredir bir sonraki nesil elektroniklerde silikonu değiştirecek yeni malzemeler arıyor. Bu malzemeler, daha yüksek performans ve daha düşük güç tüketimi sağlarken ölçeklenebilir olmalı; bu da onları 2D malzemelere yönlendiriyor.

MIT tarafından ortak yürütülen çok kurumlu bir çalışma, iki teknik atılımı başarmış ve ayrıca geçiş metal dikalkojenleri (TMD) yönteminin, yarı iletken malzemeleri büyütmenin cihazları daha hızlı ve daha enerji verimli hâle getireceğini rapor eden ilk çalışma olmuştur.

Yeni malzemeleri oluşturmak için ekip, wafer ölçeğinde veya büyük ölçekli üç zorluğu aşmak zorunda kaldı: tek kristalliği sağlamak, dikey heteroyapıları oluşturmak ve kalınlıkta dengesizliği önlemek.

3D malzemelerin pürüzlenip düzeltilerek eşit yüzey elde etmesinin aksine, 2D malzemeler bu süreci geçirmez ve bu da düzensiz bir yüzeye yol açar. Bu durum, büyük ölçekli, yüksek kaliteli ve uniform bir 2D malzeme üretimini zorlaştırır.

Bu yüzden ekip, 2D malzemelerin kinetik kontrolünü teşvik eden sınırlı bir yapı inşa etti; bu sadece tüm zorlukları çözmekle kalmadı, aynı zamanda daha kısa bir büyüme süresi için kendiliğinden tanımlı tohum büyümesi gerektirdi.

Diğer teknik atılım, büyük ölçekli, katman katman tek‑domain heterojunction TMD’leri sergilemekti.

2D malzemeler üzerine araştırma aslında sürekli genişliyor; bilim insanları daha gelişmiş bir gelecek için yeni işlevsellikler keşfetmeye çalışıyor.

Birkaç hafta önce, Rice Üniversitesi’nden malzeme bilimcileri, grafen ve silika camını kimyasal olarak birleştirerek gerçek bir 2D hibrit⁴ oluşturdu; bu iki temel olarak farklı 2D malzeme, glaphene adlı bir bileşik haline getirildi.

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

“Katmanlar sadece birbirinin üzerine oturmaz — elektronlar hareket eder ve yeni etkileşimler ve titreşim durumları oluşturur, bu da hiçbir malzemenin tek başına sahip olmadığı özellikleri ortaya çıkarır.”

Bu kıtalararası çabada, hem karbon hem de silisyum içeren sıvı bir kimyasal öncü kullanılarak glaphene büyütmek için iki adımlı, tek reaksiyonlu bir yöntem geliştirildi. Isıtma sırasında oksijen seviyeleri ayarlanarak önce grafen, ardından silika tabakasının oluşumu için koşullar değiştirildi.

Özellikle, bu yöntem geniş bir 2D malzeme yelpazesine uygulanabilir ve bir sonraki nesil elektronik ve kuantum cihazları için özel olarak tasarlanmış 2D malzemelerin geliştirilmesinin kapısını açar.

Kore’deki bilim insanları da 2D yarı iletken malzemeleri kullanarak yeni bir kuantum durumu keşfettiler⁵; bu durum, daha istikrarlı kuantum bilgisayarları güçlendirebilir. Yeni keşfedilen kuantum durumu, 2D yarı iletken çipte kuantum bilgiyi daha güvenilir bir şekilde kontrol etmek için de kullanılabilir.

Küçük malzemeler bir süredir kuantum bilgisayarında büyük ilerlemelere öncülük ediyor ve Daegu Gyeongbuk Bilim ve Teknoloji Enstitüsü (DGIST) tarafından yapılan son araştırma, veri depolama için yeni yeniden yapılandırılabilir cihazların yolunu açıyor.

“Yeni bir kuantum durumu olan exciton‑Floquet sentez durumu keşfettik ve kuantum dolaşıklığı ve kuantum bilgi çıkarımı için yeni bir mekanizma önerdik. Bu, iki boyutlu yarı iletkenlerde kuantum bilgi teknolojisi araştırmalarını ileriye taşıması bekleniyor.”

– Jaedong Lee, DGIST

Geçen yıl, JMU Würzburg ve TU Dresden’den bilim insanları, 2D kuantum malzemelerini çevresel etkilerden koruyan ve devrim niteliğindeki özelliklerini bozmayan bir koruyucu kaplama geliştirdi.

Bilim insanları, son derece ince kuantum yarı iletkenlerinin karmaşık vakum ekipmanları ve belirli bir alt tabaka malzemesi gerektirdiğini daha önce keşfetmişti. Elektronik bileşenlerde 2D malzeme kullanmak, vakum ortamından çıkarılmayı gerektirir; ancak kısa bir hava maruziyeti bile oksidasyona yol açar ve özelliklerini yok eder, “kullanılamaz hâle getirir.”

Bu yüzden ekip, hassas katmanı çevresel etkenlerden korumak için bir koruyucu kaplama buldu. İki yıl süren çalışmaların ardından başarı sağladılar. Ekip, indenene için bir alt tabaka olarak silikon karbürün ısıtılmasını deneyimlemek üzere gelişmiş ultra yüksek vakum araçları kullandı.

Ekip, bu yöntemin son derece hassas yarı iletken atomik katmanları içeren uygulamaların yolunu açacağını görüyor. Şu anda daha fazla van der Waals malzemesini koruyucu katman olarak tanımlamaya çalışıyorlar.

2D Yarı İletken Teknolojisine Yatırım

Transistör boyutlarını küçültme zorluklarını aktif olarak ele alan Applied Materials (AMAT ), 2D yarı iletkenlerin geliştirilmesi ve ölçeklendirilmesinde önemli bir rol oynar. Gerçekten de, 2D yarı iletken üretimine sanayi geçişini üretim ekipmanları ve süreç kimyası aracılığıyla mümkün kılan az sayıda şirketten biridir.

137 milyar dolarlık piyasa değerine sahip Applied Materials’ın piyasa performansı da güçlü bir yükseliş trendi gösteriyor.

Applied Materials (AMAT )

Şu anda, Applied Materials hisseleri $170,50 seviyesinde işlem görmekte, YTD %4,9 artış ve geçen yazki ATH’den sadece %33,6 düşüş göstermektedir. EPS (TTM) 8,21, P/E (TTM) 20,78 iken temettü getirisi %1,08’dir.

Şirket finansallarına gelince, Applied Materials, 27 Nisan 2025’te sona eren ikinci çeyrek için $7,10 milyar gelir bildirdi; bu, yıllık %7 artış anlamına geliyor.

Bu “güçlü performans”, “dinamik ekonomik ve ticaret ortamına rağmen” Brice Hill, Kıdemli Başkan Yardımcısı ve CFO tarafından belirtildi. Şirket ayrıca müşteri talebinde önemli bir değişiklik olmadığını rapor etti.

GAAP brüt marjı %49,1 ve non-GAAP brüt marjı %49,2 idi; GAAP EPS %28 artarak $2,63, non-GAAP EPS ise %14 artarak $2,39 oldu. Bu dönemde şirket, faaliyetlerden $1,57 milyar nakit üretti ve $2 milyarını hissedarlara $325 milyon temettü ve $1,67 milyar hisse geri alımı şeklinde dağıttı.

“Applied Materials’ın geniş yetenekleri ve bağlantılı ürün portföyü, son derece dinamik makro ortamda 2025’te güçlü sonuçları tetikliyor.”

– CEO Gary Dickerson

Yüksek performanslı ve enerji verimli AI bilişiminin, yarı iletken yeniliklerinin ana itici güç olmaya devam ettiğine işaret etti.

Applied Materials (AMAT) Hisse Senedi Haberleri ve Gelişmeleri

Sonuç

Dünyanın ilk çalışan CMOD bilgisayarını tamamen atomik kalınlıkta 2D malzemelerden inşa ederek, araştırmacılar yalnızca silikonun uzun süredir süregelen elektronik hakimiyetine meydan okumakla kalmadı, aynı zamanda elektronik cihazları daha küçük, daha hızlı ve daha iyi hâle getirme sorununa da bir çözüm sundular.

Ekip tarafından üretilen 2.000’den fazla transistör, bir bilgisayarda mantık işlemlerini gerçekleştirebiliyor; bu da geleneksel silikona olan ihtiyacı ortadan kaldırıyor.

Henüz erken aşamalarda olmasına rağmen, bu atılım yüksek performanslı, daha enerji verimli ve atomik kalınlıkta bir katmanla çalışan daha ince elektroniklerin yeni bir gerçeklik haline geleceği heyecan verici bir geleceği işaret ediyor.

Katmanlı yarı iletkenlerin bellek depolamadaki bir sonraki sıçrama neden olabileceğini öğrenmek için buraya tıklayın.

Referans Alınan Çalışmalar:

^{1. Ghosh, S.; Zheng, Y.; Rafiq, M.; ve diğerleri. Tamamlayıcı İki‑Boyutlu Malzeme Tabanlı Tek Talimat Seti Bilgisayarı. Nature 2025, 642 (12), 327–335. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08963-7}
2. Ao, M.; Zhou, X.; Kong, X.; ve diğerleri. İki‑Boyutlu Yarı İletkenlere Dayalı RISC‑V 32‑Bit Mikroişlemci. 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. İki‑Boyutlu Yarı İletken Transistörlerde Programlanabilir P‑N Kavşakları. 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: 2D silika camı ve grafenin bir hibritleşmesi. Adv. Mater. 2025, 28 Mayıs 2025 tarihinde çevrimiçi yayımlandı. https://doi.org/10.1002/adma.202419136
5. Park, H.; Park, N.; Lee, J. Eksiton‑Floquet Bileşiklerinin Yeni Kuantum Durumları: Elektron‑Delik Dolanıklığı ve Bilgi. Nano Lett. 2024, 24 (42), 13192–13199. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03100