这是硅时代的终结吗？美国科学家推出世界上第一台 2D 计算机

宾夕法尼亚州立大学研究团队成功开发出世界首台完全基于二维材料的计算机，这一突破性成果标志着电子工业可能迎来自硅时代以来最重大的材料革命。该计算机使用仅有单原子厚度的二硫化钼和二硒化钨材料制造晶体管，成功执行基本逻辑运算，为超薄、高效、小型化电子设备开辟了全新发展路径。这项发表在《自然》杂志上的研究，不仅挑战了硅材料在半导体领域的统治地位，更为摩尔定律面临的物理极限提供了潜在解决方案。

长达八十年的硅时代正面临前所未有的挑战。随着晶体管尺寸不断缩小，硅基器件的性能提升已经逐渐放缓，量子效应和漏电流等问题日益突出。当硅器件缩小到纳米级别时，其电子特性开始恶化，功耗增加，可靠性下降。这一现象迫使科学家和工程师寻找替代材料，以延续计算能力的指数增长。

宾夕法尼亚州立大学阿克利工程学教授萨普塔什·达斯领导的研究团队选择了一条全新的技术路径。他们没有继续在硅材料上寻求突破，而是转向了二维材料这一新兴领域。二维材料具有独特的物理特性：即使在单原子厚度下，仍能保持优异的电子特性，这与硅材料在极小尺度下性能下降形成鲜明对比。

研究团队构建的互补金属氧化物半导体计算机代表了材料科学的重大突破。他们使用二硫化钼制造n型晶体管，使用二硒化钨制造p型晶体管，两种材料的结合实现了CMOS技术所需的互补特性。这种设计不仅保证了计算机的基本功能，更重要的是实现了极低的功耗，这对于未来的移动设备和物联网应用具有重要意义。

制造工艺的技术创新

这个基于二维分子的计算机概念图显示了宾夕法尼亚州立大学研究人员团队制作的计算机的实际扫描电子显微镜图像。键盘具有突出显示的按键，标有二硫化钼和二硒化钨的缩写，代表用于开发计算机中晶体管的两种 2D 材料。图片来源：Krishnendu Mukhopadhyay/宾夕法尼亚州立大学

研究团队采用金属有机化学气相沉积工艺来制造二维材料晶体管，这一工艺涉及将原料汽化、促进化学反应并将产物沉积到基板上。通过这种方法，他们成功制造了超过1000个n型晶体管和1000个p型晶体管，为构建功能完整的计算机奠定了基础。

制造过程中的关键挑战是精确控制两种不同类型晶体管的阈值电压。研究团队通过仔细调整器件制造和后处理步骤，成功实现了n型和p型晶体管阈值电压的精确匹配，这是构建高性能CMOS逻辑电路的关键要求。这种精密的工艺控制能力表明，二维材料技术已经具备了产业化应用的潜力。

博士生苏比尔·戈什作为论文第一作者，详细描述了这台二维计算机的性能特征。计算机能够在低电源电压下运行，功耗极低，可以在高达25千赫兹的频率下执行简单的逻辑运算。虽然工作频率相比传统硅基CMOS电路较低，但这台被称为单指令集计算机的设备仍然成功验证了二维材料在计算应用中的可行性。

研究团队还开发了一个计算模型，使用实验数据进行校准并结合器件间的差异，用以预测二维CMOS计算机的性能并与最先进的硅技术进行基准测试。这种系统性的性能评估方法为未来的技术优化和产业应用提供了重要参考。

产业前景与技术挑战

Subir Ghosh（左）和 Saptarshi Das（右）带领团队开发了一种能够简单作的无硅互补金属氧化物半导体计算机。它们之间显示的是制造的计算机的显微镜图像。图片来源：宾夕法尼亚州立大学

尽管这项研究取得了突破性进展，但从实验室原型到商业化应用仍有相当距离。达斯教授坦承，需要更多工作来进一步开发二维CMOS计算机技术以供广泛使用。他同时指出，与硅技术八十年的发展历程相比，二维材料研究直到2010年左右才真正兴起，但发展速度远超硅技术的早期阶段。

当前二维材料计算机面临的主要挑战包括制造工艺的标准化、器件性能的一致性、大规模生产的可行性以及与现有电子工业生态系统的兼容性。解决这些问题需要材料科学、工艺技术、器件设计和系统集成等多个领域的协同创新。

从产业角度来看，二维材料技术的商业化应用可能首先出现在对功耗和尺寸要求极为苛刻的特殊领域，如可穿戴设备、植入式医疗器械和航空航天应用。随着技术的成熟和成本的降低,这类材料有望逐步扩展到更广泛的消费电子和计算设备领域。

全球主要半导体公司已经开始关注二维材料技术的发展潜力。英特尔、台积电、三星等行业领导者都在投资相关研究，探索将二维材料集成到现有制造工艺中的可能性。这些投资反映了业界对硅技术局限性的担忧，以及对新材料技术的期望。

研究团队特别感谢宾夕法尼亚州立大学的二维晶体联盟材料创新平台提供的设施和工具支持。这一平台的存在表明,成功的材料创新需要完整的研究基础设施和跨学科合作。美国国家科学基金会、陆军研究办公室和海军研究办公室对这项工作的资助,也体现了政府层面对新兴材料技术的重视。

展望未来，二维材料计算技术的发展将继续面临技术和商业双重挑战。技术层面需要解决材料纯度、工艺可重复性和器件可靠性等基础问题；商业层面需要建立完整的产业链,包括材料供应、设备制造、测试验证和应用开发等环节。

这项研究的意义不仅在于展示了硅的潜在替代方案,更在于为整个电子工业提供了新的发展方向。如果二维材料技术能够成功实现产业化,将可能引发类似于硅技术革命的产业变革,为人类社会带来更高效、更智能的电子设备和计算系统。