2D-Materialien Erster planarer, siliziumfreier Computer auf Atomebene

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Forschende der Penn State University in den USA haben erstmals einen vollständigen CMOS-Computer entwickelt, der rein aus 2D-Materialien besteht und einfache Rechenoperationen durchführen kann.

Silizium hat durch seine Miniaturisierung Fortschritte in der Halbleitertechnologie ermöglicht stößt aber zunehmend an die Grenzen des physikalisch Möglichen. Dies treibt die Erforschung neuer Materialien voran, um den Bedarf nach immer kompakteren und effizienteren elektronischen Systemen zu möglichst günstigen Kosten auf künftig erfüllen zu können. Zweidimensionale (2D-) Materialien, die gerade einmal wenige Atomlagen dick sind und zugleich über hohe Ladungsträgerbeweglichkeit verfügen, stellen in der Forschung eine vielversprechende Alternative dar.

Forschende der Penn State University haben zwei solcher 2D-Materialien verwendet, um in einer Weltpremiere den ersten Computer zu entwickeln, der nur wenige Atomlagen dick ist, aber dennoch einfache Operationen ausführen kann. Das Forschungsteam verwendete 2D-Molybdändisulfid (MoS₂) für die n-Kanal-Bauelemente und Wolframdiselenid (WSe₂) für den p-Kanal, um die komplementären Strukturen mit einer Dicke von einem Atom zu bauen.

Diese Materialien seien der Schlüssel zum Bau von Transistoren mit Strukturen unter 1 nm Größe, wie die Forschenden in der begleitenden Studie im Fachblatt Nature ausführen. Die geglückte 2D-Implementierung stelle entsprechend einen großen Schritt in Richtung dünnerer, schnellerer und energieeffizienterer Elektronik dar.

Die Arbeit ist eine Weiterentwicklung vorhergehender Forschungen an einfachen Computern mit Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) sowie einer flexiblen 2D-PMOS-Maschine, die mit MoS₂-Transistoren an der Technischen Universität Wien gebaut wurde. 2D-Materialien wurden kürzlich auch für einen eingebetteten Hochleistungsspeicher verwendet. Die Entwicklung ist unabhängig von der Entwicklung des ersten planaren 32-Bit-RISC-V-Prozessors erfolgt, der ebenfalls auf 2D-Molybdändisulfid (MoS₂) basiert und den chinesische Forschende Ende April ebenfalls im Fachjournal Nature vorgestellt hatten.

2D-Chip mit fast 6.000 Transistoren

Forscher entwickeln atomdünnen 32-Bit-RISC-Prozessor

Aufbau des Rechners

„Wir haben zum ersten Mal einen CMOS-Computer demonstriert, der vollständig aus 2D-Materialien aufgebaut ist und großflächig gezüchtete Molybdändisulfid- und Wolframdiselenid-Transistoren kombiniert“, sagt Saptarshi Das, Ackley-Professor für Ingenieurwissenschaften und Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik an der Penn State, der die Forschung leitete. Das entwickelte System umfasst eine SRAM-Zelle mit sechs Transistoren und Pull-up- und Pull-down-Transistoren sowie eine arithmetische Logikeinheit. Der so entstandende Computer war in der Lage, einen fünfstufigen RSSB-Befehl (Reverse Subtract and Skip if Borrow) unter Verwendung von fünf separaten OISC-Strukturen (One Instruction Set Computer) auszuführen.

Das Team nutzte die metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) in der Materialinnovationsplattform des 2D-Kristallkonsortiums (2DCC-MIP), um große Schichten aus Molybdändisulfid und Wolframdiselenid zu züchten und so mehr als 1 000 Transistoren jedes Typs herzustellen. Durch die Abstimmung der Bauelementeherstellung und der Nachbearbeitungsschritte konnten sie die Schwellenspannungen sowohl der n- als auch der p-Typ-Transistoren anpassen, was den Bau voll funktionsfähiger CMOS-Logikschaltungen bei 3 V ermöglichte.

„Unser 2D-CMOS-Computer arbeitet bei niedrigen Versorgungsspannungen mit minimalem Stromverbrauch und kann einfache logische Operationen bei Frequenzen von bis zu 25 kHz durchführen“, so Subir Ghosh, Doktorand an der Penn State, der zusammen mit Das die Forschungen leitete.

Die Frequenz wurde durch parasitäre Kapazitäten begrenzt, zusammen mit einer extrem niedrigen Leistungsaufnahme im Pikowatt-Bereich und einer Schaltenergie von bis zu 100 pJ.

„Wir haben auch ein Berechnungsmodell entwickelt, das anhand von experimentellen Daten kalibriert wurde und Variationen zwischen den Bauelementen berücksichtigt, um die Leistung unseres 2D-CMOS-Computers zu projizieren und sie mit der modernsten Siliziumtechnologie zu vergleichen“, sagt Ghosh. Dabei wurde die Leistung des Ein-Befehlssatz-Computers projiziert und mit der modernsten Siliziumtechnologie verglichen, wobei ein mit dem Industriestandard SPICE kompatibles BSIM-BULK-Modell verwendet wurde.

Transistor-Entwicklung mit 2D-Materialien steht noch ganz am Anfang

Ghosh räumt ein, dass es noch viel Spielraum für weitere Optimierungen gäbe. Das System ist eine Machbarkeitsstudie, eine praktische Anwendung für den simplem Computer gibt es aktuell nicht. Dennoch stelle diese Arbeit einen wichtigen Meilenstein bei der Nutzung von 2D-Materialien dar, um das Feld der Elektronik voranzubringen.

Auch sein Kollege Das bestätigt, dass noch mehr Arbeit nötig ist, um den 2D-CMOS-Computeransatz für eine breite Anwendung weiterzuentwickeln. Er betont aber auch, dass sich das Forschungsfeld im Vergleich zur Entwicklung der Siliziumtechnologie schnell entwickelt: „Die Siliziumtechnologie befindet sich seit etwa 80 Jahren in der Entwicklung, die Forschung an 2D-Materialien hingegen ist relativ jung und kam erst 2010 richtig in Gang“, so Das. „Wir gehen davon aus, dass die Entwicklung von Computern aus 2D-Materialien ebenfalls ein schrittweiser Prozess sein wird, aber im Vergleich zur Siliziumtechnologie ist dies ein großer Sprung nach vorn.“ (sg)

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