原子級厚度的超薄二維材料，不僅可以制造出微處理器，而且也將推進(jìn)傳統(tǒng)微處理器的革新，使其廣泛應(yīng)用于柔性電子領(lǐng)域。最近，奧地利維也納技術(shù)大學(xué)和歐盟石墨烯旗艦項(xiàng)目的科研人員在該領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，有望進(jìn)一步推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。

　　技術(shù)關(guān)鍵字

　　二維材料、微處理器、柔性電子

　　背景介紹

　　二維材料

　　前幾天，John 在《重磅：科學(xué)家利用二維納米材料噴墨打印晶體管！》一文中，介紹了愛爾蘭科學(xué)家利用二維材料（石墨烯、二硒化鎢、氮化硼）噴墨打印晶體管的發(fā)明，同時(shí)也對二維材料進(jìn)行了相關(guān)介紹，讓我們再次回顧一下：

　　「二維材料」是指電子僅可在兩個(gè)維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運(yùn)動(dòng)（平面運(yùn)動(dòng)）的材料，例如石墨烯、氮化硼、過渡族金屬化合物（二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢）、黑磷等等。

　　二維材料，一般由一層或者幾層原子組成，我們之前重點(diǎn)關(guān)注的石墨烯就是一種著名的二維材料。除此以外，和石墨烯類似的一些材料，例如過渡性金屬雙硫?qū)倩衔镆矊儆诙S材料，它們不僅尺寸小、輕薄、柔軟，最重要是具有優(yōu)秀的半導(dǎo)體特性，十分適用于柔性電子設(shè)備。

　　微處理器

　　「微處理器」，是當(dāng)代電子工業(yè)的核心器件。無論是智能手表、智能手機(jī)、智能家電等消費(fèi)電子產(chǎn)品，還是超級計(jì)算機(jī)、汽車引擎控制、數(shù)控機(jī)床、導(dǎo)彈精確制導(dǎo)等都高精尖技術(shù)產(chǎn)品，都離不開微處理器的作用。

　　微處理器，一般由一片或幾片大規(guī)模集成電路組成，能讀取和執(zhí)行指令，與外界存儲器和邏輯部件交換數(shù)據(jù)，是微型計(jì)算機(jī)的核心運(yùn)算控制部分。

　　如今，微處理器制造所用的材料基本上全是硅。而硅材料的瓶頸如主要有以下兩方面：

　　性能瓶頸，正如我之前在《摩爾定律，是生存還是毀滅？》一文中所說，現(xiàn)在硅材料的半導(dǎo)體芯片，性能增速放緩，且接近物理極限。

　　不具有柔性，硅材料無法應(yīng)用于柔性電子領(lǐng)域。

　　創(chuàng)新探索

　　維也納技術(shù)大學(xué)光子研究所的 Thomas Mueller 博士一直致力于二維材料的研究，他認(rèn)為二維材料是未來制造微處理器和其它集成電路的理想候選材料。而二硫化鉬（MoS2），由鉬原子和硫原子組成，只有三個(gè)原子的厚度，就是這樣一種二維材料。

　　所以，他領(lǐng)導(dǎo)維也納技術(shù)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)和歐盟石墨烯旗艦項(xiàng)目的科研人員合作，制造出了一種由二維材料「二硫化鉬」MoS2 組成的晶體管。115個(gè)這樣的晶體管構(gòu)成了一種新型微處理器。目前，這種微處理器能夠進(jìn)行一比特的邏輯運(yùn)算，而未來有望拓展至多比特運(yùn)算。

　　關(guān)鍵技術(shù)

　　微處理器架構(gòu)

　　圖解：

　?。╝） 框圖顯示：A和B兩個(gè)輸入的算術(shù)邏輯單元（ALU），累加器（AC），控制單元（CU），指令寄存器（IR），輸出寄存器（OR）和程序計(jì)數(shù)器（PC）。由CU提供給各個(gè)子單元的使能信號（EA和EO）和操作選擇代碼（A/O）。時(shí)鐘信號發(fā)生器和存儲器于芯片外實(shí)現(xiàn)。

　?。╞） N次指令循環(huán)的時(shí)序圖。在獲取指令的序列中，內(nèi)存的內(nèi)容加載到 IR，并且存儲在PC中的地址加增加。在指令執(zhí)行的序列中，存儲在IR中的命令得以執(zhí)行。

　　（c） 微處理器的指令集：NOP是非操作指令；LDA指令將數(shù)據(jù)從內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)紸C；AND和OR指令執(zhí)行邏輯運(yùn)算。

　　MoS2晶體管和反相器的特性描述

　　圖解：

　?。╝）使用前柵極技術(shù)的反相電路（頂部）和單個(gè)MoS2晶體管（底部）示意圖

　?。╞）載入（W/L=45/2）和下拉 （W/L=7/5）晶體管的轉(zhuǎn)換特性

　?。╟）柵壓在1V和5?V之間的輸出特性

　?。╠）NMOS反相器電路原理圖

　　（e）在給定輸入電壓VIN的條件下，反相器的輸出電壓VOUT圖解。藍(lán)色符號代表負(fù)載曲線，紅色線是下拉晶體管的輸出特性。兩條曲線的交叉點(diǎn)決定了VOUT。

　?。╢）實(shí)線代表反相器測量到的電壓轉(zhuǎn)移特性。通過鏡像曲線（虛線），得到一種蝴蝶般的圖像，從中NM可以通過嵌入灰色陰影區(qū)域的最大正方形提取出。

　　二維半導(dǎo)體設(shè)備的實(shí)現(xiàn)

　　圖解：

　?。╝）微處理器的微觀圖像。兩層金屬以不同的顏色呈現(xiàn)，通過通路孔連接。所有的子單元都具有用于測試的金屬測試焊盤。標(biāo)記的焊盤用于連接設(shè)備和外部器件（存儲器、時(shí)鐘發(fā)生器、電源、輸出），其它部分由線結(jié)合到一起實(shí)現(xiàn)內(nèi)部連接。比例尺50微米。（b） D-Latch 和 （c） ALU 電路原理圖

　　器件操作

　　圖解：

　?。╝） 通過運(yùn)行示例程序，在芯片上測量到的波形。CLK1， CLK2、CKL3信號由芯片外部產(chǎn)生。每個(gè)指令需要三個(gè)時(shí)鐘周期，1/TCLK是時(shí)鐘頻率。CLK2脈沖足夠短以觸發(fā)靈敏的PC輸入，可以避免使用更加復(fù)雜的主從設(shè)計(jì)。A0是PC提供的地址。OP0， OP1 和 D0 表示來自存儲器的信號，前兩個(gè)是指令，后一個(gè)是數(shù)據(jù)。A和B是ALU的輸入信號，OUT是輸出信號。TCLK=500?ms。

　　（b） 一些列計(jì)算的結(jié)果。為了運(yùn)行更長的程序，在外部又實(shí)現(xiàn)了一個(gè)4比特的PC。曲線的含義和a中相同，除了這里A0代表4比特的地址信號（A0-A3）。另外，這個(gè)設(shè)備可以提供預(yù)期的數(shù)值，如同頂部的數(shù)字所示。

　　創(chuàng)新價(jià)值

　　目前為止，MoS2微處理器是由二維材料制成的最先進(jìn)的電路之一。當(dāng)然，John之前也介紹過《半導(dǎo)體領(lǐng)域革命性突破：史上最小的1納米晶體管誕生》，這個(gè)晶體管中也使用了二硫化鉬材料。

　　運(yùn)行簡單程序的測試表明，該微處理器具有優(yōu)秀的信號質(zhì)量，和較低的功耗，并且獲取正確的運(yùn)算結(jié)果。

　　這種超薄的MoS2 晶體管尺寸很小，而且具有柔性，有利于制造成柔性電子設(shè)備，例如可穿戴設(shè)備和智能硬件等等，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。

　　對此，Thomas Mueller 博士認(rèn)為：

　　“總體來說，成為一種柔材料將會(huì)帶來新型應(yīng)用。其中一個(gè)可能是將這些處理器電路和由MoS2 制成的光線發(fā)射器相結(jié)合，從而制造出柔性顯示設(shè)備和電子紙張，或者將它們集成進(jìn)智能傳感器的邏輯電路中。”

　　面臨挑戰(zhàn)

　　現(xiàn)代的微處理器，一般由硅制成，它們在單顆芯片上具有幾百萬個(gè)晶體管，所以說這種由MoS2 制成的只有115個(gè)晶體管的設(shè)備，顯得十分簡單。但是，Mueller 博士研究小組中的博士研究生 Stefan Wachter 認(rèn)為：

　　“盡管，這和目前基于硅的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相比來說，顯得很遜色。但是它成為這個(gè)領(lǐng)域研究中的一項(xiàng)重要突破?，F(xiàn)在我們已經(jīng)有了概念驗(yàn)證，原則上，沒有理由看不到未來的進(jìn)展?！?/p>

　　這個(gè)芯片只是展示了這項(xiàng)新技術(shù)的早期成果，我們可以相信未來它會(huì)具有更大的成果。對于團(tuán)隊(duì)下一步的計(jì)劃，Mueller 解釋說：

　　“我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更大的電路，可以利用有用的操作完成更多的任務(wù)。我們想要在更小尺寸的單個(gè)芯片上，完成完整的八比特設(shè)計(jì)，或者更多的比特。”

　　但是由于設(shè)計(jì)和制造，這個(gè)目標(biāo)將面臨挑戰(zhàn)，所以Stefan Wachter 說：

　　“增加更多的比特，當(dāng)然會(huì)使得每件事都會(huì)變得更加復(fù)雜。例如，增加僅僅一個(gè)比特，就會(huì)將電路的復(fù)雜性增加兩倍。”

　　未來展望

　　二維材料例如二硫化鉬，雖然有望成為硅的替代品。但是，對于制造更加復(fù)雜的電路來說，這些電路需要幾千甚至幾百萬個(gè)晶體管，暫時(shí)還無法依靠這項(xiàng)新技術(shù)。

　　畢竟，生產(chǎn)二維材料以及進(jìn)一步處理二維材料的工藝，目前仍然處于初級階段。所以，目前它只是一種對于硅半導(dǎo)體技術(shù)的補(bǔ)充性技術(shù)。

　　對此，Mueller博士解釋道：

　　“我們的電路或多或少是在實(shí)驗(yàn)室中用手工做成的，這樣復(fù)雜的設(shè)計(jì)顯然超出了我們的能力范圍。每個(gè)晶體管必須按照計(jì)劃運(yùn)行，以使得處理器能夠作為一個(gè)整體來工作?！?/p>

　　另外，未來提高多級設(shè)計(jì)工藝，將是開發(fā) MoS2 微處理器的高產(chǎn)量生產(chǎn)方案的重要一步。因?yàn)樵谒幸蛩刂校瑐鬏敶髤^(qū)域、雙層MoS2到晶圓上，會(huì)帶來很高的失敗率。所以，維也納技術(shù)大學(xué)的Dmitry Polyushkin 認(rèn)為：

　　“我們的方案在于將工藝提高到一個(gè)點(diǎn)，我們可以通過幾萬個(gè)晶體管，可靠地生產(chǎn)芯片。例如，直接在芯片上生長，這將會(huì)避免轉(zhuǎn)移過程。這樣可以帶來更高的產(chǎn)量，讓我們可以生產(chǎn)更加復(fù)雜的電路。”

　　研究人員認(rèn)為，未來幾年，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)有各種各樣新的工業(yè)應(yīng)用，柔性電子便是一個(gè)例子，例如醫(yī)療傳感器和柔性顯示器。因?yàn)椋S材料相比于傳統(tǒng)的硅材料，具有更強(qiáng)的機(jī)械柔性。