در یکی از پیشرفته‌ترین دستاوردهای حوزه نانوالکترونیک، تیمی از پژوهشگران چینی موفق به ساخت نخستین پردازنده جهان با ضخامت اتمی شده‌اند. این پردازنده که با نام RV32-WUJI شناخته می‌شود، بر پایه معماری RISC-V ساخته شده و از ماده‌ای به نام دی‌سولفید مولیبدن (MoS₂) که ماده‌ای دوبُعدی با تنها سه لایه اتمی است بهره می‌برد. این دستاورد فوق‌العاده که نتایج حاصل از آن در مجله معتبر nature ارائه‌‌شده‌است، نشان‌دهنده‌ جهشی بزرگ به‌سوی آینده‌ای است که در آن الکترونیک سنتی مبتنی بر سیلیکون جای خود را به فناوری‌های فوق نازک و کم‌مصرف خواهد داد.

معرفی دی‌سولفید مولیبدن: ماده‌ای مناسب برای عصر پساسیلیکون

دی‌سولفید مولیبدن (MoS₂) یکی از اعضای برجسته خانواده نیمه‌هادی‌های دوبُعدی دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه است. این ماده از یک لایه مولیبدن بین دو لایه گوگرد تشکیل شده و ساختاری مستحکم و پایدار دارد. برخلاف گرافن که فاقد شکاف انرژی است و به عنوان رسانا شناخته می‌شود، MoS₂ دارای bandgap مستقیم بوده که آن را برای طراحی ترانزیستورهای دیجیتال مناسب می‌سازد. به دلیل ضخامت اتمی‌اش، امکان کنترل دقیق بر رفتار الکتریکی ترانزیستورها فراهم شده و اثرات منفی ناشی از کوچک‌سازی تراشه‌ها نیز کاهش می‌یابد.

ترانزیستور ساخته شده با MoS2. این ماده از یک لایه مولیبدن میان دو لایه گوگرد تشکیل شده است.

ساخت پردازنده‌ای کامل در مقیاس اتمی

پردازنده RV32-WUJI شامل 5931 ترانزیستور ساخته‌شده از MoS₂ است و روی ویفری از جنس یاقوت کبود (sapphire) با قطر 4 اینچ پیاده‌سازی شده است. این پردازنده از معماری 32 بیتی RISC-V پشتیبانی می‌کند و شامل تمامی اجزای اصلی یک میکروپروسسور واقعی از جمله واحد ALU، رجیسترها، شمارنده برنامه (Program Counter)، رمزگشای دستورالعمل (Instruction Decoder)، واحد کنترل و حافظه، است.

برای تحقق این معماری، پژوهشگران یک کتابخانه استاندارد شامل 25 گیت منطقی طراحی کردند که از میان آن‌ها 18 گیت در تست‌ها عملکرد پایدار و قابل اطمینانی داشتند. این امر زمینه‌ساز طراحی تراشه‌ای با منطق دیجیتال کامل شد.

عبور از محدودیت‌های سنتی ساخت ترانزیستور

یکی از چالش‌های بزرگ در ساخت این پردازنده، عدم امکان دوپینگ (افزودن ناخالصی به ماده اصلی) در مواد تک‌لایه است. در فناوری سیلیکونی، تغییر خواص نیمه‌هادی‌ها با افزودن ناخالصی به ساختار بلوری امکان‌پذیر است، اما در ساختارهای اتمی این روش عملی نیست. پژوهشگران این محدودیت را با استفاده از فلزاتی چون طلا و آلومینیوم در الکترودهای تماس ترانزیستورها جبران می‌کنند.

این فلزات با تغییر عملکرد الکتریکی ترانزیستورها، امکان تنظیم ولتاژ آستانه (Vth) را فراهم می‌کنند. در کنار این راهکار، استفاده از دی‌الکتریک‌های با ثابت بالا و الگوریتم‌های یادگیری ماشین نیز به بهینه‌سازی فرآیند ساخت کمک شایانی می‌کنند.

بازده بی‌نظیر و عملکرد کم‌مصرف؛ RV32-WUJI فراتر از انتظار ظاهر شد!

پردازنده RV32-WUJI در حال حاضر با فرکانسی در محدوده کیلوهرتز کار می‌کند. هر عملیات جمع دو عدد 32 بیتی به 32 چرخه نیاز دارد و نتایج در بافرهای میانی ذخیره می‌شوند. با وجود سرعت پایین، مصرف انرژی آن تنها 0.43 میلی‌وات است که آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای کاربردهای کم‌مصرف تبدیل می‌کند.

بازده ساخت این پردازنده بسیار قابل توجه است. 99.92% از ترانزیستورها عملکرد صحیح داشتند و نرخ موفقیت در ساخت تراشه کامل به 99.8% رسید. البته در بلوک‌های پیچیده‌تر مانند رجیسترهای 8 بیتی، بازده به 71% کاهش یافت و در رجیسترهای 64 بیتی فقط 7% موفقیت حاصل شد.

تراشه RV32-WUJI که شامل حدود 6000 ترانزیستور است

گامی به‌سوی پردازنده‌های نسل بعد: معماری کم‌مصرف و ساخت ماژول‌های منطقی با MoS₂

معماری RV32-WUJI به صورت سریالی طراحی شده تا مصرف انرژی و فضای مورد نیاز به حداقل برسد. این ویژگی آن را برای استفاده در محیط‌های امبدد (Embedded Systems) مانند حسگرهای هوشمند، گجت‌های پوشیدنی و تراشه‌های لبه‌محور اینترنت اشیا (IoT) مناسب می‌سازد.

پژوهشگران همچنین موفق شدند با استفاده از ترانزیستورهای MoS₂ چندین مدار منطقی کاربردی مانند مالتی‌پلکسر (multiplexers)، فول ادر (Full Adder)، رجیسترهای ۳۲ بیتی و شمارنده‌ها را طراحی و تولید نمایند. این مدارها ثابت می‌کنند که می‌توان با استفاده از مواد تک‌اتمی مانند MoS₂، بلوک‌های دیجیتالی ساده و قابل‌اعتماد ساخت که به‌صورت ماژولار طراحی شده‌اند و قابلیت استفاده مجدد دارند. این بلوک‌ها می‌توانند به‌عنوان اجزای اصلی در ساخت پردازنده‌های پیشرفته‌تر در آینده به کار گرفته شوند.

نگاهی به آینده: آیا عصر سیلیکون رو به پایان است؟

پردازنده RV32-WUJI شاید هنوز نتواند جایگزین تراشه‌های سیلیکونی قدرتمند شود، اما نشانه‌ای آشکار از آغاز دوران جدیدی در الکترونیک است. این پروژه نشان داد که استفاده از مواد دوبُعدی نه‌تنها برای ساخت ترانزیستورهای منفرد، بلکه برای طراحی پردازنده‌های واقعی نیز ممکن است.

با ادامه توسعه در فناوری‌های ساخت، انتظار می‌رود این گونه پردازنده‌ها در آینده نزدیک در کاربردهایی با نیاز به توان بسیار کم، به کار گرفته شوند. RV32-WUJI نه‌تنها یک دستاورد علمی مهم، بلکه الهام‌بخش طراحی نسل جدیدی از میکروپروسسور‌هاست که می‌تواند آینده‌ الکترونیک را متحول کند.

منبع: مجله Nature