全球首部非矽2D電腦問世　原子級材料開啟電子新紀元

更新於 06月19日09:05 • 發布於 06月19日09:00 • 高詩豪

矽材料在過去數十年推動半導體技術微型化發展，但隨著製程極限逼近，傳統矽基元件的效能逐漸受限，促使科學家尋找更前瞻的材料。美國賓州州立大學（Penn State）研究團隊日前突破性地利用二維（2D）材料，成功開發出全球首台完全不含矽的電腦，開啟未來低功耗與極限微型化運算新契機。

傳統電腦核心「互補式金屬氧化物半導體」（CMOS）架構需同時具備n型與p型兩類電晶體。研究團隊首次以二維硫化鉬（MoS₂）製作n型電晶體、二維二硒化鎢（WSe₂）製作p型電晶體，克服過往二維材料難以兼顧兩種特性的技術瓶頸。他們透過金屬有機化學氣相沉積（MOCVD），大面積生長出這兩種材料，並成功製造超過一千個各類型電晶體元件。

可於低電壓下運作，功耗極低，並能進行基礎邏輯運算

圖說明了全球首台以二維材料製成的電腦核心運作原理： (a) 系統架構圖：展示了這台「單指令集電腦」（OISC）各主要模組之間的資料流。指令記憶體（Instruction memory）傳遞地址給資料記憶體（Data memory），經由資料擷取（Data fetch）與算術邏輯單元（ALU）運算（如減法），最後將運算結果與旗標（Flag）記錄於暫存器，並回饋給程式計數器（PC），形成簡潔的計算迴圈。 (b) 電路細部流程：進一步拆解運算路徑，包括多工器（MUX）、資料記憶體、D型正反器（DFF）等組件。經由時脈（CLK1, CLK2）控制，資料流依序完成資料載入、減法及旗標設定等動作，符合低功耗、簡單可驗證的二維材料邏輯電路設計。 (c) 訊號時序圖：顯示上述系統各主要訊號（如時脈、資料、結果等）在運作過程中的變化。這些時序波形反映出2D材料元件在實際執行指令時的同步與反應特性。（圖／《Nature》）

團隊仔細優化製程及後續調校步驟，精準調整n型與p型電晶體的臨界電壓，進而組裝出全功能2D CMOS邏輯電路。實驗證明，這台2D電腦可於低電壓下運作，功耗極低，並能進行基礎邏輯運算（如一指令集電腦，OISC），運作頻率最高可達25kHz。雖然頻率仍低於現行矽基CMOS，但其突破意義在於首次展現二維材料可整合為可實用的計算單元，且仍有相當大的性能優化空間。

此外，研究團隊還建立了計算模型，將實驗數據與不同器件變異納入，預估2D CMOS電腦的極限性能，並與當前最先進矽基技術進行比較。該成果不僅象徵著2D材料電子學邁出關鍵一步，也為未來極限微型化、柔性或新型電子裝置鋪路。隨著2D材料領域持續進展，有望帶來超越傳統矽晶片架構的新一代半導體應用。

本研究成果已發表於《Nature》期刊。

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首圖來源：Krishnendu Mukhopadhyay / Penn State(CC BY 4.0)

圖片來源：NATURE(CC BY 4.0)

參考論文：
1、A complementary two-dimensional material-based one instruction set computerNATURE

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