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2D-Chip mit fast 6.000 Transistoren Forscher entwickeln atomdünnen 32-Bit-RISC-Prozessor

Von Sebastian Gerstl 2 min Lesedauer

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Forschende aus China haben einen funktionsfähigen 2D-RISC-V-Prozessor aus Molybdändisulfid entwickelt, der 5.931 Transistoren auf gerade einmal drei Atomlagen vereint.

Chinesische Forscher haben einen 32-Bit-RISC-V-Prozessor aus Molybdändisulfid (MoS2) auf einem Saphirsubstrat gebaut.(Bild: Mingrui Ao, et. al.)
Chinesische Forscher haben einen 32-Bit-RISC-V-Prozessor aus Molybdändisulfid (MoS2) auf einem Saphirsubstrat gebaut.
(Bild: Mingrui Ao, et. al.)

Ein chinesisches Forschungsteam hat mit dem RV32-WUJI den bislang komplexesten Prozessor auf Basis eines zweidimensionalen Halbleiters realisiert. Der Chip besteht aus 5.931 Transistoren, gefertigt aus Molybdändisulfid (MoS₂). Der Resultierende Chip ist gerade einmal drei Atomlagen dick.

Bei MoS₂ handelt es sich um ein Halbleitermaterial mit einer atomar dünnen Struktur: Eine Molybdänschicht liegt eingebettet zwischen zwei Schwefellagen. Diese Geometrie erlaubt es der beiliegenden Studie zufolge, die die Forschenden im Fachblatt Nature veröffentlicht haben, funktionale Transistoren in einer nur wenige Angström dicken Schicht zu realisieren – eine Eigenschaft, die klassische Siliziumtechnologien physikalisch nicht mehr erreichen können.

Langsam, aber funktional

Im Gegensatz zu bisherigen Labor-Demonstrationen hat das Team den Chip mit bestehenden CMOS-Kompatibilitäten auf Saphirsubstraten gefertigt. Auch eine vollständige Standardzellbibliothek mit 25 Logikgattern wurde entwickelt – von AND bis OR. So konnte eine vollständige 32-Bit-RISC-V-Architektur realisiert werden.

Der Prozessor arbeitet aktuell bei Kilohertz-Frequenzen und benötigt nur 0,43 Milliwatt für einfache arithmetische Operationen. Zwar ist er deutlich langsamer und einfacher als moderne Silizium-Chips, doch es handelt sich um einen Proof-of-Concept auf universitärem Laborniveau – mit beeindruckender Fertigungsausbeute von 99,8 Prozent, wie die Forschenden behaupten

Herausforderungen wie die fehlende Möglichkeit zur Dotierung wurden mit alternativen Methoden gelöst: Unterschiedliche Metalle wie Aluminium und Gold kamen beim Verdrahten zum Einsatz, um Schwellenwerte gezielt zu beeinflussen. Auch maschinelles Lernen kam zum Einsatz, um einzelne Prozessschritte zu optimieren.

Ein entscheidender Schritt zu kleineren, sparsameren Chips?

Der Fertigungsprozess offenbart allerdings noch einige gravierende Schwächen. Bei 8-Bit-Registern konnte gerade einmal ein Yield von 71 Prozent erzielt werden. Ein 64-Bit-Register konnte nur in 7 Prozent der Fälle erfolgreich gefertigt werden. Die Summe der Fortschritte zeigt allerdings, dass 2D-Materialien über die Einzeldemonstration hinaus in Richtung Systemintegration voranschreiten: Nach Angabe der Forscher hätte der bisherige Rekord für einen funktionsfähigen logischen Chip in derselben Fertigungsgröße gerade einmal 156 Molybdänsulfid-Transistoren umfasst.

Das langfristige Ziel ist der Einsatz in energieeffizienten Anwendungen mit niedriger Komplexität – etwa in Edge-Chips für IoT-Endgeräte oder intelligente Sensorik. Dafür bietet das extrem flache Material mit geringem Stromverbrauch eine interessante Option.

Der RV32-WUJI wird damit nicht zum Ersatz für Silizium, wohl aber zur Blaupause für skalierbare, monomolekulare Elektronik mit industriellem Potenzial. Sollte sich der technologische Weg fortsetzen, könnten 2D-Halbleiter mittelfristig neue Nischen im Chipdesign erschließen.(sg)

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