Bildet viser flere molybdendisulfid-baserte mikroprosessorer og tihørende teststruktur. (Bilde: Hermann Detz)

2D-materialer

Har laget verdens første, fungerende prosessor av et 2D-materiale

Har jobbet med å lage transistorer i 2D-materialer siden karbonmaterialet grafén ble oppdaget i 2004.

Forskere ved Technische Universität Wien (TU Wien) har i tilknytning til EUs Graphene Flagship-program greid å bringe fram det som skal være den første fungerende mikroprosessoren basert på atomtykke, lagdelte materialer. 

Ifølge det østerrikske universitetet har forskere jobbet med å lage transistorer i 2D-materialer siden karbonmaterialet grafén ble oppdaget i 2004. Men fram til nå har man bare greid å lage digitale komponenter med noen få transistorer, og grafén er et lite egnet materiale til slik bruk på grunn av null elektronisk båndgap.

Les mer: Grafén likevel egnet for CPU-er?

1-bits prosessor

Det østerrikske teamet har derimot greid å lage en 1-bit mikroprosessor bestående av 115 transistorer, fordelt på et areal på 0,6 kvadratmillimeter. Denne skal være i stand til å kjøre enkle programmer. 

– Selv om dette selvfølgelig virker beskjedent når man sammenligner med dagens standarder basert på silisium, er det likevel et stort gjennombrudd innen dette forskningsfeltet. Nå som vi har et konseptbevis, er det i prinsippet ingen grunn til at det ikke kan videreutvikles, sier Stefan Wachter, doktorgradstudenten som er hovedforfatter av den vitenskapelige artikkelen, i en pressemelding.

MoS2

Brikken er ikke basert på grafén, men et 2D-materiale av molybdendisulfid (MoS2, også kjent fra mineralet molybdenitt eller molybdenglans), som kan deles opp i lag som er tre atomer tykke.

Oversiktsbilde over hele brikken. Områdene som er merket i den ene prosessoren, er AC=akkumulator/internt buffer, PC=programteller/instruksjonspeker, IR=instruksjonsregister, CU=kontrollenhet, OR=outputregister, ALU=Arithmetic Logic Unit.
Oversiktsbilde over hele brikken. Områdene som er merket i den ene prosessoren, er AC=akkumulator/internt buffer, PC=programteller/instruksjonspeker, IR=instruksjonsregister, CU=kontrollenhet, OR=outputregister, ALU=Arithmetic Logic Unit. Bilde: Stefan Wachter

Men det er ikke bare valget av materialet som har bidratt til gjennombruddet.

– Vi vurderte også nøye dimensjonene til de individuelle transistorene. De eksakte forholdene mellom transistorgeometriene innen en grunnleggende kretskomponent er en kritisk faktor for å kunne lage og koble sammen mer komplekse enheter, sier Wachter. 

Gjennombrudd: Her er verdens minste transistor

Bare begynnelsen

Forskerteamet har konkrete planer for det videre arbeidet.

– Målet vårt er å realisere betydelig større kretser, som kan gjøre mer i form av nyttige operasjoner. Vi ønsker å lage en full 8-bit design, eller enda større, på en enkel brikke med mindre komponentstørrelser, sier Thomas Müller, forskeren som har ledet arbeidet ved TU Wien, i en pressemelding fra Graphene Flagship.

Dette er ifølge forskerne en større utfordring enn det kanskje høres ut som.

– Å legge til ytterligere bits vil selvfølgelig gjøre alt mye mer komplisert. For eksempel vil kompleksiteten til kretsen omtrent dobles bare ved å legge til én bit, forteller Wachter. 

«Håndlagd»

– Siden kretsene våre er mer eller mindre håndlagde i laboratoriet, er slike komplekse design selvfølgelig langt utover vår kapasitet. Hver eneste transistor må fungere som planlagt for at prosessoren skal fungere som et hele, sier Müller. 

Forskerne må derfor også utvikle produksjonsmetoder som bidrar til en stor grad av feilfrihet.

– Vår tilnærming er å forbedre prosesseringen til et punkt hvor vi på en pålitelig måte kan lage brikker med noen få titalls tusen transistorer, sier Dmitry Polyushkin, et tredje medlem av forskerteamet, i en pressemelding.

Forskerteamet ved TU Wien, fra venstre Stefan Wachter, Dmitry K. Polyushkin og Thomas Müller.
Forskerteamet ved TU Wien, fra venstre Stefan Wachter, Dmitry K. Polyushkin og Thomas Müller. Bilde: TU Wien, Marco Furchi

Fra lanseringen av grafénflaggskipet: Fantastiske muligheter i grafén

Elastisk

En fordel med molybdendisulfid, er at materialet er elastisk.

– Helt generelt innebærer fleksible materialer nye muligheter for nye bruksområder. Man kan kombinere disse prosessorkretsene med lysemittere, som også kan lages av MoS2, for å produsere fleksible skjermer og e-papir, eller integrere dem som logiske kretser i smarte sensorer, sier Müller.

Det trekkes også fram at «tynnheten» til materialet i seg selv gir transistorene fordelaktige egenskaper. 

– I prinsippet er det en fordel å bruke et tynt materiale i en transistor. Jo tynnere materiale, desto bedre elektrostatisk kontroll over transistorkanalen, og dermed lavere effektbruk, sier Müller.

Ingen erstatning

Det er lite som tyder på at 2D-materialene vil erstatte silisium i tradisjonelle databrikker med det første. Men materialene kan altså åpne for helt nye bruksområder.

– Denne enkle kretsen er det første konseptuelle skrittet mot implementering av enkel logg i elastiske enheter for daglig bruk, slik som matemballasje eller tekstiler, sier Andrea Ferrari ved University of Cambridge, i en pressemelding.

– Målet er ikke å konkurrere direkte mot den etablerte silisiumteknologien, men fylle de komplementære hullene som den ennå ikke muliggjør, sier Ferrari.

Daniel Neumaier er leder for divisjonen for elektronikk- og fotonikkintegrasjon hos Graphene Flagship. 

– Overgangen fra enkle komponenter til komplekse, integrerte kretser er en svært kritisk milepæl for bruken av en spesifikk teknologi, fordi det krever et høyt nivå av prosesskontroll og reproduserbarhet. Dette er et skritt i retning av bruk av GRM-baserte [graphene and related materials, journ. anm.], elektroniske enheter, spesielt i smarte sensorsystemer og fleksibel elektronikk, sier Neumaier i en pressemelding.

Også i Norge: NTNU-gjennombrudd for nanotråder på grafén 

Kommentarer (3)

Kommentarer (3)
Til toppen