重新定义数据处理的能源效率，具有千个晶体管的二维半导体问世

研究人员创造了第一个基于二维半导体材料的内存处理器，包含1000多个晶体管，这是工业生产道路上的一个重要里程碑。图片来源：艾伦·赫尔佐格/洛桑联邦理工学院

据最新一期《自然·电子学》报道，瑞士洛桑联邦理工学院研究人员提出了一种基于二硫化钼的内存处理器，专用于数据处理中的基本运算之一：向量矩阵乘法。这种操作在数字信号处理和人工智能模型的实现中无处不在，其效率的提高可为整个信息通信行业节约大量的能源。

新处理器将1024个元件组合到一个一平方厘米的芯片上。每个元件都包含一个2D二硫化钼晶体管以及一个浮动栅极，用于在其存储器中存储电荷，以控制每个晶体管的导电性。以这种方式耦合处理和内存，从根本上改变了处理器执行计算的方式。

研究人员指出，通过设置每个晶体管的电导率，他们可向处理器施加电压并测量输出，一步执行模拟矢量矩阵乘法。

二硫化钼的选择在内存处理器的开发中发挥了至关重要的作用。与当今计算机处理器中使用最广泛的半导体硅不同，二硫化钼形成稳定的单层，只有3个原子厚，仅与周围环境发生微弱的相互作用。它的薄度提供了生产极其紧凑器件的潜力。2010年，研究团队使用透明胶带从晶体上剥离的单层材料创建了第一个单二硫化钼晶体管。

从单个晶体管发展到超过1000个晶体管的关键进步，在于可沉积材料的质量。经过大量工艺优化后，团队现在可生产均匀覆盖二硫化钼均质层的整个晶圆。这让他们能采用行业标准工具在计算机上设计集成电路，并将这些设计转化为物理电路，从而为大规模生产打开了大门。

二硫化钼有点像石墨，可以用作润滑剂，也能用胶带在表面粘下一层薄膜。二硫化钼薄膜因其“二维”半导体的特性，有望突破晶体管微缩化的瓶颈，构筑出速度更快、功耗更低、柔性透明的新型芯片。近年来，国际上在单层二硫化钼的制备等方面不断突破，在晶圆质量和器件性能上不断探索极限，中国在这个方向处于前列。未来，可能借此研发出耗电极低、可穿戴且随意弯折的芯片和显示屏。