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该二硫化钼微处理器包含100多个晶体管。
当使用硅材料再也无法取得进一步发展时，科学家们希望通过使用石墨烯或二硫化钼等2D材料让摩尔定律继续生效。几十年前，戈登•摩尔曾预测，集成电路中的晶体管数目会不停地增长。维也纳工业大学（VUT）的研究人员所研发出的只有3个原子厚度的微芯片，也许是摩尔定律被提出后出现的首例2D材料。这项研究的主要研究者，维也纳工业大学的电气工程师托马斯•穆勒（Thomas Müller）说，此前，集成电路上由2D材料制成的晶体管数量一直都是个位数。他和同事一起研发出的芯片包含115个晶体管；4月11日，他们在《自然》期刊上发表文章，描述了其研发的装置。
该微芯片能够执行用户自定义的、存储在外部存储器中的程序，进行逻辑运算，并将数据传输到自己的外围结构中。虽然这一原型技术只能传输一个比特的数据，但研究人员说在他们的设计中，该原型可以随时扩展到多比特数据。同时他们也指出自己的发明成果可兼容现有的半导体制造工艺。
这一新型装置由二硫化钼薄膜制造而成，大体上就是一层钼原子夹在两层硫原子之间；且该薄膜厚度仅为0.6纳米。相比之下，硅质微芯片的有源层厚度约为100纳米。
“这些作者已经能够使用厚度达到原子级的2D材料来构建如此复杂的电路系统；而该2D材料的研究只开始了5年，这一点是非常令人兴奋的。”斯坦福大学电气工程师埃里克•波普（Eric Pop，未参与此项研究）这样说道。
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那么，二硫化钼在摩尔定律方面又有怎样的潜力呢？维也纳工业大学的原型产品最小尺寸是2微米，使得该芯片看起来相当结实。然而，“把晶体管的管道长度做到200或100纳米应该是相当简单的。”穆勒如是说。同时，他也补充道，通过提高这些电路中电触点的质量，最终应该可以实现1纳米的2D晶体管。“如果使用硅元素，就无法达成实现这一愿景，硅的极限是5纳米左右。”穆勒如是说。
用二硫化钼制造更复杂的微型芯片，是团队在生产晶体管时遇到的主要麻烦。目前穆勒团队的全功能芯片良率只有百分之几。穆勒说，提高晶体管良率的一个方法是研发出更加均匀的二硫化钼薄膜；但遗憾的是，这些薄膜在蓝宝石基板上生长后，转移至目标晶片时会突然出现各种瑕疵。目前，研究人员正在研究如何直接在目标晶片上生长二硫化钼薄膜，以便省去这一转移步骤。提高二硫化钼薄膜的均匀度，“应该可以更加简单地将2D电路的复杂度提升为集成数以万计的晶体管”，穆勒如是说。
该原型装置的目标晶片是硅晶片；但研究人员认为，从理论上讲，其几乎可以在任何基底材料上制作。“如果电路可以在柔性基底上展示，执行那些硅电路无法实现的独特功能，那将是未来的一项重要发展。”斯坦福大学的波普如是说。
要使2D微处理器也能够像硅晶片那样集成数亿个晶体管，还必须做出另一项改变。穆勒说，工程师们必须能够将那些用于该原型装置中的n型晶体管设计转化为今天常规微芯片上使用的能耗更低的互补金属氧化物半导体（CMOS）设计。“这一转变可能会需要用其他2D材料代替二硫化钼，但备选材料有很多，比如二硒化钨等。”他说。
维也纳工业大学的研究人员说，在性能方面，该原型电路的总功率大约为60微瓦，运行频率在2到20千赫兹之间。穆勒说：“诚然，我们研发的装置还无法和当前的硅基微处理器分庭抗礼。这一装置的问世只意味着我们朝着新一代电子装置迈进了第一步。”
来自斯坦福大学的波普也同意这一评价。维也纳工业大学研发的芯片，其场效应迁移率（电子流过晶体管的容易程度）与其他二硫化钼薄膜相比，“至少比许多团队（也包括我们团队）已出版文献的最新水平低一个数量级。”波普说，必须完善该迁移率，“迁移率低的二硫化钼电路，其运转速度会很慢，效率会很低。”
作者：Charles Q. Choi
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