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美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在最新一期《自然》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)顛覆性成果：他們首次利用二維材料成功制造出一臺(tái)能夠執(zhí)行簡(jiǎn)單邏輯運(yùn)算的計(jì)算機(jī)，標(biāo)志著半導(dǎo)體技術(shù)正式邁入“原子級(jí)制造”時(shí)代。這一突破不僅挑戰(zhàn)了硅基芯片的統(tǒng)治地位，更有望為智能手機(jī)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的硬件革新提供全新路徑。 突破性技術(shù)：原子級(jí)厚度材料構(gòu)建完整CMOS電路 研究團(tuán)隊(duì)摒棄了傳統(tǒng)硅基材料，轉(zhuǎn)而采用兩種二維材料：二硫化鉬（MoS₂）用于制造n型晶體管，二硒化鎢（WSe₂）用于制造p型晶體管。這兩種材料的厚度僅為單個(gè)原子層，相當(dāng)于一張A4紙的百萬(wàn)分之一，卻能在如此微小尺度下保持優(yōu)異的電子遷移率和開(kāi)關(guān)比。 通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)，團(tuán)隊(duì)生長(zhǎng)出大面積的二硫化鉬和二硒化鎢薄膜，并制造出超過(guò)1000個(gè)n型和p型晶體管。通過(guò)精確調(diào)控晶體管的閾值電壓，他們成功構(gòu)建出功能完整的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）邏輯電路。這臺(tái)“單指令集計(jì)算機(jī)”可在低至1伏特的電壓下運(yùn)行，功耗比傳統(tǒng)硅基芯片降低90%，且能在25千赫茲頻率下執(zhí)行基礎(chǔ)邏輯運(yùn)算。盡管其工作頻率遠(yuǎn)低于當(dāng)前商用芯片，但研究團(tuán)隊(duì)表示，這一成果已驗(yàn)證了二維材料在芯片制造中的可行性。 技術(shù)優(yōu)勢(shì)：更薄、更快、更節(jié)能 與傳統(tǒng)硅基芯片相比，二維材料計(jì)算機(jī)的核心優(yōu)勢(shì)在于其原子級(jí)厚度帶來(lái)的物理特性突破： 超薄結(jié)構(gòu)：二維材料的單原子層厚度使芯片體積大幅縮小，為可穿戴設(shè)備、柔性電子等場(chǎng)景提供可能； 低功耗：由于二維材料在納米尺度下仍能保持低漏電流，芯片能耗顯著降低，延長(zhǎng)設(shè)備續(xù)航時(shí)間； 高集成度：二維材料的平面結(jié)構(gòu)便于堆疊集成，有望突破傳統(tǒng)硅基芯片的物理極限，推動(dòng)“后摩爾時(shí)代”技術(shù)發(fā)展。 研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的計(jì)算模型預(yù)測(cè)，隨著材料生長(zhǎng)和工藝優(yōu)化，二維材料芯片的性能有望在未來(lái)五年內(nèi)接近商用硅基芯片水平。 產(chǎn)業(yè)影響：重塑半導(dǎo)體供應(yīng)鏈格局 這一突破引發(fā)了全球科技界的廣泛關(guān)注。長(zhǎng)期以來(lái)，硅基芯片的制造高度依賴少數(shù)幾家企業(yè)，而二維材料的制備技術(shù)可能為新興市場(chǎng)提供彎道超車(chē)的機(jī)會(huì)。例如，中國(guó)科學(xué)院物理研究所此前已成功制備出單原子層金屬，為二維晶體管研發(fā)提供了關(guān)鍵材料支持。 行業(yè)分析師指出，若二維材料芯片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，將顯著降低對(duì)高純度硅晶圓和極紫外光刻機(jī)的依賴，可能重塑全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈。此外，二維材料在透明顯示、超靈敏傳感器、高效催化等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，也將推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的協(xié)同創(chuàng)新。 未來(lái)展望：從實(shí)驗(yàn)室到量產(chǎn)的挑戰(zhàn) 盡管成果顯著，但二維材料芯片的商業(yè)化仍面臨多重挑戰(zhàn)： 大規(guī)模制備技術(shù)：當(dāng)前MOCVD技術(shù)成本較高，需開(kāi)發(fā)更高效的晶體生長(zhǎng)方法； 穩(wěn)定性與可靠性：二維材料在高溫、高濕環(huán)境下的性能衰減問(wèn)題尚未完全解決； 產(chǎn)業(yè)鏈配套：從材料、設(shè)備到封裝測(cè)試，需建立完整的二維芯片制造生態(tài)。 研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人表示，他們計(jì)劃在未來(lái)三年內(nèi)與半導(dǎo)體企業(yè)合作，推進(jìn)二維材料芯片的中試生產(chǎn)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)正探索將二維材料與三維集成技術(shù)結(jié)合，以進(jìn)一步提升芯片性能。 結(jié)語(yǔ) 從1947年晶體管發(fā)明到如今二維材料計(jì)算機(jī)問(wèn)世，半導(dǎo)體技術(shù)的演進(jìn)始終遵循“更小、更快、更節(jié)能”的邏輯。賓夕法尼亞州立大學(xué)的這一突破，不僅為芯片設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新方向，更可能引發(fā)一場(chǎng)材料科學(xué)的革命。隨著全球科技競(jìng)爭(zhēng)的加劇，二維材料芯片能否成為下一代信息技術(shù)的基石，值得持續(xù)關(guān)注。 |
