全球首台非硅二维材料计算机问世，开启超薄低功耗芯片新时代
发布时间：2025-6-13 10:22
发布者：eechina
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美国宾夕法尼亚州立大学研究团队在最新一期《自然》杂志上发表了一项颠覆性成果：他们首次利用二维材料成功制造出一台能够执行简单逻辑运算的计算机，标志着半导体技术正式迈入“原子级制造”时代。这一突破不仅挑战了硅基芯片的统治地位，更有望为智能手机、人工智能、物联网等领域的硬件革新提供全新路径。 突破性技术：原子级厚度材料构建完整CMOS电路 研究团队摒弃了传统硅基材料，转而采用两种二维材料：二硫化钼（MoS₂）用于制造n型晶体管，二硒化钨（WSe₂）用于制造p型晶体管。这两种材料的厚度仅为单个原子层，相当于一张A4纸的百万分之一，却能在如此微小尺度下保持优异的电子迁移率和开关比。 通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，团队生长出大面积的二硫化钼和二硒化钨薄膜，并制造出超过1000个n型和p型晶体管。通过精确调控晶体管的阈值电压，他们成功构建出功能完整的互补金属氧化物半导体（CMOS）逻辑电路。这台“单指令集计算机”可在低至1伏特的电压下运行，功耗比传统硅基芯片降低90%，且能在25千赫兹频率下执行基础逻辑运算。尽管其工作频率远低于当前商用芯片，但研究团队表示，这一成果已验证了二维材料在芯片制造中的可行性。 技术优势：更薄、更快、更节能 与传统硅基芯片相比，二维材料计算机的核心优势在于其原子级厚度带来的物理特性突破： 超薄结构：二维材料的单原子层厚度使芯片体积大幅缩小，为可穿戴设备、柔性电子等场景提供可能； 低功耗：由于二维材料在纳米尺度下仍能保持低漏电流，芯片能耗显著降低，延长设备续航时间； 高集成度：二维材料的平面结构便于堆叠集成，有望突破传统硅基芯片的物理极限，推动“后摩尔时代”技术发展。 研究团队开发的计算模型预测，随着材料生长和工艺优化，二维材料芯片的性能有望在未来五年内接近商用硅基芯片水平。 产业影响：重塑半导体供应链格局 这一突破引发了全球科技界的广泛关注。长期以来，硅基芯片的制造高度依赖少数几家企业，而二维材料的制备技术可能为新兴市场提供弯道超车的机会。例如，中国科学院物理研究所此前已成功制备出单原子层金属，为二维晶体管研发提供了关键材料支持。 行业分析师指出，若二维材料芯片实现量产，将显著降低对高纯度硅晶圆和极紫外光刻机的依赖，可能重塑全球半导体产业链。此外，二维材料在透明显示、超灵敏传感器、高效催化等领域的应用潜力，也将推动相关产业的协同创新。 未来展望：从实验室到量产的挑战 尽管成果显著，但二维材料芯片的商业化仍面临多重挑战： 大规模制备技术：当前MOCVD技术成本较高，需开发更高效的晶体生长方法； 稳定性与可靠性：二维材料在高温、高湿环境下的性能衰减问题尚未完全解决； 产业链配套：从材料、设备到封装测试，需建立完整的二维芯片制造生态。 研究团队负责人表示，他们计划在未来三年内与半导体企业合作，推进二维材料芯片的中试生产。同时，团队正探索将二维材料与三维集成技术结合，以进一步提升芯片性能。 结语 从1947年晶体管发明到如今二维材料计算机问世，半导体技术的演进始终遵循“更小、更快、更节能”的逻辑。宾夕法尼亚州立大学的这一突破，不仅为芯片设计开辟了新方向，更可能引发一场材料科学的革命。随着全球科技竞争的加剧，二维材料芯片能否成为下一代信息技术的基石，值得持续关注。 |
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