Nowa era w elektronice
Zespół badawczy z Penn State University dokonał czegoś niezwykłego: stworzył pierwszy na świecie funkcjonalny komputer, który w ogóle nie wykorzystuje krzemu. Zamiast tego całość opiera się na materiałach dwuwymiarowych o grubości pojedynczych atomów. To tak, jakby zbudować procesor z czegoś cieńszego niż kartka papieru, ale o właściwościach przewyższających tradycyjne rozwiązania. Problem z krzemem polega na tym, że im bardziej go miniaturyzujemy, tym gorzej działa. Gdy struktury zbliżają się do rozmiarów kilku atomów, materiał po prostu traci swoje kluczowe właściwości elektroniczne. To właśnie ten limit zmusza cały przemysł do poszukiwania alternatywnych rozwiązań. Naukowcy z Penn State znaleźli odpowiedź w materiałach 2D. Do budowy tranzystorów n-typu wykorzystali dwusiarczek molibdenu, natomiast dla tranzystorów p-typu zastosowali dwuselenek wolframu. Te substancje zachowują swoje unikalne cechy nawet w skali atomowej, tam gdzie krzem już zawodzi.
Powstały układ CMOS charakteryzuje się niezwykłą energooszczędnością. Pracuje przy bardzo niskich napięciach zasilania i zużywa znacznie mniej energii niż tradycyjne rozwiązania krzemowe. Urządzenie wykonuje podstawowe operacje logiczne z częstotliwością do 25 kiloherców. Przyznaję, że na tle współczesnych procesorów pracujących z gigahercami może to brzmieć skromnie. Pamiętajmy jednak, że pierwszy tranzystor krzemowy z 1954 roku również nie zachwycał parametrami. Najważniejsze jest to, iż cały układ potrafi przetwarzać dane, wykonywać operacje arytmetyczne i logiczne – wszystko przy użyciu materiałów o grubości pojedynczej warstwy atomów.
Co to oznacza dla przyszłości?
Badania nad materiałami dwuwymiarowymi to stosunkowo młoda dziedzina. Rozpoczęły się na dobre około 2010 roku, kiedy to Andre Geim i Konstantin Novoselov otrzymali nagrodę Nobla za odkrycie grafenu. To zaledwie 15 lat rozwoju w porównaniu z około 80 latami doskonalenia technologii krzemowej. Ta dysproporcja może działać na korzyść nowej technologii. Podczas gdy krzem zbliża się do swoich fizycznych granic, materiały 2D dopiero zaczynają pokazywać, na co je stać. Można się spodziewać, że rozwój będzie następował w znacznie szybszym tempie niż w przypadku tradycyjnych rozwiązań. Nowa technologia otwiera drogę do stworzenia ultracienkich urządzeń elektronicznych. Wyobraźcie sobie komputery wbudowane w arkusze papieru czy elastyczne folie. Materiały 2D umożliwiają również budowę szybszych układów, ponieważ elektrony poruszają się przez nie z mniejszym oporem. Energooszczędność to kolejna kluczowa zaleta. Urządzenia oparte na materiałach dwuwymiarowych mogłyby pracować przy ułamku energii potrzebnej dla tradycyjnych układów krzemowych. To szczególnie istotne w czasach, gdy zużycie energii przez centra danych staje się poważnym wyzwaniem ekologicznym.
Miniaturowe, energooszczędne komputery mogłyby znaleźć zastosowanie w medycynie, internecie rzeczy czy implantach medycznych. Jednak zanim to nastąpi, naukowcy muszą rozwiązać wiele praktycznych problemów, w tym kwestie masowej produkcji i trwałości takich układów. Podsumowując, pierwszy komputer bez krzemu to ważny krok w rozwoju elektroniki, lecz nie oznacza to rychłego końca ery krzemu. Raczej obserwujemy początek nowej ścieżki rozwoju, która może z czasem stać się równoległą alternatywą. Materiały atomowe przestają być domeną czysto laboratoryjną i powoli wkraczają do świata praktycznych zastosowań.