Более полувека закон Мура был путеводной звездой для всей индустрии микроэлектроники. Производители знали, что могут удваивать количество транзисторов на чипе каждые два года, обеспечивая рост производительности и снижение стоимости, и в ус не дули. Однако к началу 2020-х годов стало очевидно: физические ограничения кремния ставят дальнейший прогресс под угрозу. Поэтому в поисках выхода из тупика ученые начали активно изучать альтернативные материалы, способные заменить кремний, в том числе дисульфид молибдена, который уже продемонстрировал свою жизнеспособность в создании процессоров нового поколения.
Проблемы кремниевых процессоров
Кремний десятилетиями оставался основным материалом для полупроводников благодаря своей доступности, стабильности и уникальным свойствам. Однако с переходом на техпроцессы в 5 нм и меньше начали проявляться серьезные проблемы:
Утечка тока, повышенное энергопотребление, нестабильность работы транзисторов и снижение их надежности.
Тепловыделение из-за высокой плотности транзисторов.
Высокая стоимость разработки новых техпроцессов, которая растет по мере снижения техпроцесса, делая производство менее рентабельным.
Причем дороговизна является далеко не последним фактором. Возьмем Snapdragon 8 Elite — флагманский чип для Android-смартфонов 2025 года. По данным из открытых источников, его производство на 3-нм техпроцессе TSMC обходится в $180 за штуку, что на 15% дороже предшественника на 4-нм. А, если сравнивать со стоимостью процессоров 6- или 7-летней давности, то разница и вовсе будет многократной. И все это без учета НИОКР.
Что такое двумерные процессоры
В отличие от кремния, который считается трехмерным, двумерные материалы, такие как дисульфид молибдена, предлагают радикально новый подход к созданию транзисторов. MoS₂ состоит из атомарно тонких слоев молибдена и серы. Что это дает? На самом деле много чего:
Во-первых, меньшую толщину: один слой MoS₂ имеет толщину всего 0,7 нм, что позволяет создавать сверхкомпактные транзисторы.
Во-вторых, широкую запрещенную зону: около 1,8 эВ — это предотвращает утечку тока при выключенном состоянии транзистора.
В-третьих, высокую степень подвижности электронов: это обеспечивает быструю работу устройств при минимальном энергопотреблении.
Первый процессор без кремния
Но разве кто-то делает бескремниевые процессоры? Ну, в коммерческих масштабах, конечно, нет. Однако исследователи из Университета Фудань в Китае представили первый в мире 32-битный процессор на основе дисульфида молибдена под названием WUJI. И этот чип стал настоящим прорывом в области двумерной электроники.
Чем он так хорош:
Архитектура: RISC-V — открытый стандарт для проектирования процессоров.
Количество транзисторов: 5 900 — значительно меньше по сравнению с современными кремниевыми чипами (предыдущие опыты давали худший результат).
Тактовая частота: 10 кГц — пока недостаточно для сложных вычислений.
Энергопотребление: менее 0,3 мкВт — невероятно низкий показатель даже для микроконтроллеров.
Несмотря на ограниченную производительность, которой еще далеко до, скажем, Ryzen 7 7800X3D, WUJI демонстрирует жизнеспособность технологии двумерных материалов в реальных устройствах. А, если вспомнить, что это только проба пера, все вопросы и вовсе отпадают.
Минусы молибденовых процессоров
Впрочем, без сложностей, конечно, не обошлось. Главной проблемой при создании плат на основе MoS₂ на данном этапе развития технологии является высокий процент производственного брака. Для их получения используется метод химического осаждения из газовой фазы (CVD). Однако даже при высокоточных настройках процесса около 30% пластин имеют дефекты кристаллической решетки, что снижает надежность транзисторов.
Решением может стать использование машинного обучения для оптимизации параметров производства. Нейросети анализируют тысячи экспериментов и помогают находить идеальные условия для выращивания материала. А раз ИИ даже качество графики в играх повышает, почему бы не использовать его для чего-то по-настоящему важного?
Еще одна сложность связана с интеграцией MoS₂ с другими компонентами чипа. Например, выбор контактных металлов (золото или алюминий) влияет на эффективность работы транзисторов и их пороговое напряжение. Но, чтобы продолжить соответствующие эксперименты, ученым необходимо снизить процент брака.
Зачем нужны двумерные процессоры?
Хотя текущие прототипы двумерных процессоров уступают кремниевым чипам по производительности, у них есть уникальные преимущества:
Радиационная стойкость. Устройства на основе MoS₂ сохраняют работоспособность даже после сильного облучения, что делает их идеальными для космических аппаратов и ядерной энергетики.
Биоинтеграция. Благодаря минимальной толщине такие чипы можно использовать для создания имплантатов и сенсоров внутри организма человека.
Энергоэффективность. Низкое энергопотребление открывает возможности для применения в Интернете вещей (IoT) и носимых устройствах.
Таким образом, переход от кремния к двумерным материалам — это не просто технологический шаг вперед, а фундаментальная трансформация всей индустрии микроэлектроники. И хотя путь к массовому внедрению таких решений еще предстоит пройти, уже сейчас ясно одно: будущее за материалами толщиной в один атом. А вот приживется ли в отрасли именно эта технология либо же рынок решит иначе, покажет время.
