二维材料计算机：挑战硅基半导体霸主地位的新突破

硅长期以来一直是半导体技术的核心材料，广泛应用于智能手机、电脑和电动汽车等领域。然而，美国宾夕法尼亚州立大学的研究团队在《自然》杂志上发表的最新研究表明，硅的统治地位可能正面临挑战。他们首次利用二维材料成功制造出一台功能完整的计算机，为开发更薄、更快、更节能的电子产品奠定了基础。

突破性技术：二维材料计算机

研究团队开发了一种新型互补金属氧化物半导体（CMOS）计算机，但与传统硅基技术不同，他们采用了两种二维材料：

• 二硫化钼（MoS₂）：用于制造n型晶体管
• 二硒化钨（WSe₂）：用于制造p型晶体管

这些材料的厚度仅为一个原子，却能在如此微小的尺度下保持优异的电子性能，这是硅材料难以企及的优势。

制造工艺与性能优化

团队采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，生长出大面积的二硫化钼和二硒化钨薄膜，并分别制造了超过1000个n型和p型晶体管。通过精确调整制造工艺和后续处理步骤，研究人员成功调控了晶体管的阈值电压，从而构建出功能完整的CMOS逻辑电路。

这台二维CMOS计算机被称为“单指令集计算机”，具有以下特点：

• 可在低电源电压下运行，功耗极低
• 能在高达25千赫的频率下执行简单逻辑运算
• 虽然工作频率低于传统硅基电路，但已能完成基本计算任务

此外，团队还开发了一个计算模型，结合实验数据和设备差异，预测二维计算机的性能，并将其与最先进的硅技术进行对比。

未来前景与挑战

尽管这项技术仍有优化空间，但它标志着二维材料在电子领域应用的重要里程碑。二维材料计算机的优势在于：

• 原子级厚度下仍能保持优异的电子性能
• 为下一代电子设备提供全新的材料选择
• 为未来芯片设计开辟新方向

相比之下，硅技术自上世纪40年代发展至今已有约80年历史，但随着晶体管尺寸不断缩小，硅的性能逐渐接近物理极限。而二维材料自2010年前后兴起，其发展速度远超硅技术早期阶段，展现出巨大的潜力。

这项研究为半导体技术的未来提供了新的可能性。尽管二维材料计算机距离大规模应用仍需进一步研究，但其突破性进展已为电子行业带来新的希望。随着技术的不断优化，二维材料或许将逐步取代硅，成为下一代电子设备的基石。