新型柔性微处理器：由超薄二维材料二硫化钼制成！
导读
原子级厚度的超薄二维材料，不仅可以制造出微处理器，而且也将推进传统微处理器的革新，使其广泛应用于柔性电子领域。最近，奥地利维也纳技术大学和欧盟石墨烯旗舰项目的科研人员在该领域取得了突破性进展，有望进一步推动物联网、智能硬件等应用领域的发展。
（图片来源于: Stefan Wachter/维也纳技术大学 )
技术关键字
二维材料、微处理器、柔性电子
背景介绍
二维材料
前几天，John 在《重磅：科学家利用二维纳米材料喷墨打印晶体管！》一文中，介绍了爱尔兰科学家利用二维材料（石墨烯、二硒化钨、氮化硼）喷墨打印晶体管的发明，同时也对二维材料进行了相关介绍，让我们再次回顾一下：
「二维材料」是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料，例如石墨烯、氮化硼、过渡族金属化合物（二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨）、黑磷等等。
二维材料，一般由一层或者几层原子组成，我们之前重点关注的石墨烯就是一种著名的二维材料。除此以外，和石墨烯类似的一些材料，例如过渡性金属双硫属化合物也属于二维材料，它们不仅尺寸小、轻薄、柔软，最重要是具有优秀的半导体特性，十分适用于柔性电子设备。
微处理器
（图片来源于: Hermann Detz/维也纳技术大学 )
「微处理器」，是当代电子工业的核心器件。无论是智能手表、智能手机、智能家电等消费电子产品，还是超级计算机、汽车引擎控制、数控机床、导弹精确制导等都高精尖技术产品，都离不开微处理器的作用。
微处理器，一般由一片或几片大规模集成电路组成，能读取和执行指令，与外界存储器和逻辑部件交换数据，是微型计算机的核心运算控制部分。
如今，微处理器制造所用的材料基本上全是硅。而硅材料的瓶颈如主要有以下两方面：
性能瓶颈，正如我之前在《摩尔定律，是生存还是毁灭？》一文中所说，现在硅材料的半导体芯片，性能增速放缓，且接近物理极限。
不具有柔性，硅材料无法应用于柔性电子领域。
创新探索
（图片来源于: Marco Furch/维也纳技术大学 )
维也纳技术大学光子研究所的 Thomas Mueller 博士一直致力于二维材料的研究，他认为二维材料是未来制造微处理器和其它集成电路的理想候选材料。而二硫化钼（MoS2），由钼原子和硫原子组成，只有三个原子的厚度，就是这样一种二维材料。
所以，他领导维也纳技术大学的科研团队和欧盟石墨烯旗舰项目的科研人员合作，制造出了一种由二维材料「二硫化钼」MoS2 组成的晶体管。115个这样的晶体管构成了一种新型微处理器。目前，这种微处理器能够进行一比特的逻辑运算，而未来有望拓展至多比特运算。
关键技术
微处理器架构
（图片来源于: 参考资料【2】)
图解：
(a) 框图显示：A和B两个输入的算术逻辑单元（ALU），累加器（AC），控制单元（CU），指令寄存器（IR），输出寄存器（OR）和程序计数器（PC）。由CU提供给各个子单元的使能信号（EA和EO）和操作选择代码（A/O）。时钟信号发生器和存储器于芯片外实现。
(b) N次指令循环的时序图。在获取指令的序列中，内存的内容加载到 IR，并且存储在PC中的地址加增加。在指令执行的序列中，存储在IR中的命令得以执行。
(c) 微处理器的指令集：NOP是非操作指令；LDA指令将数据从内存传输到AC；AND和OR指令执行逻辑运算。
MoS2晶体管和反相器的特性描述
（图片来源于: 参考资料【2】)
图解：
(a) 使用前栅极技术的反相电路（顶部）和单个MoS2晶体管（底部）示意图
(b) 载入(W/L=45/2)和下拉 (W/L=7/5)晶体管的转换特性
(c) 栅压在1V和5 V之间的输出特性
(d) NMOS反相器电路原理图
(e) 在给定输入电压VIN的条件下，反相器的输出电压VOUT图解。蓝色符号代表负载曲线，红色线是下拉晶体管的输出特性。两条曲线的交叉点决定了VOUT。
(f) 实线代表反相器测量到的电压转移特性。通过镜像曲线（虚线），得到一种蝴蝶般的图像，从中NM可以通过嵌入灰色阴影区域的最大正方形提取出。
二维半导体设备的实现
（图片来源于: 参考资料【2】)
图解：
(a)微处理器的微观图像。两层金属以不同的颜色呈现，通过通路孔连接。所有的子单元都具有用于测试的金属测试焊盘。标记的焊盘用于连接设备和外部器件（存储器、时钟发生器、电源、输出），其它部分由线结合到一起实现内部连接。比例尺50微米。(b) D-Latch 和 (c) ALU 电路原理图
器件操作
（图片来源于: 参考资料【2】)
图解：
(a) 通过运行示例程序，在芯片上测量到的波形。CLK1, CLK2、CKL3信号由芯片外部产生。每个指令需要三个时钟周期，1/TCLK是时钟频率。CLK2脉冲足够短以触发灵敏的PC输入，可以避免使用更加复杂的主从设计。A0是PC提供的地址。OP0, OP1 和 D0 表示来自存储器的信号，前两个是指令，后一个是数据。A和B是ALU的输入信号，OUT是输出信号。TCLK=500 ms。
(b) 一些列计算的结果。为了运行更长的程序，在外部又实现了一个4比特的PC。曲线的含义和a中相同，除了这里A0代表4比特的地址信号（A0-A3）。另外，这个设备可以提供预期的数值，如同顶部的数字所示。
创新价值
目前为止，MoS2微处理器是由二维材料制成的最先进的电路之一。当然，John之前也介绍过《半导体领域革命性突破：史上最小的1纳米晶体管诞生》，这个晶体管中也使用了二硫化钼材料。
运行简单程序的测试表明，该微处理器具有优秀的信号质量，和较低的功耗，并且获取正确的运算结果。
这种超薄的MoS2 晶体管尺寸很小，而且具有柔性，有利于制造成柔性电子设备，例如可穿戴设备和智能硬件等等，广泛应用于物联网领域。
对此，Thomas Mueller 博士认为：
“总体来说，成为一种柔材料将会带来新型应用。其中一个可能是将这些处理器电路和由MoS2 制成的光线发射器相结合，从而制造出柔性显示设备和电子纸张，或者将它们集成进智能传感器的逻辑电路中。”
面临挑战
现代的微处理器，一般由硅制成，它们在单颗芯片上具有几百万个晶体管，所以说这种由MoS2 制成的只有115个晶体管的设备，显得十分简单。但是，Mueller 博士研究小组中的博士研究生 Stefan Wachter 认为：
“尽管，这和目前基于硅的工业标准相比来说，显得很逊色。但是它成为这个领域研究中的一项重要突破。现在我们已经有了概念验证，原则上，没有理由看不到未来的进展。”
这个芯片只是展示了这项新技术的早期成果，我们可以相信未来它会具有更大的成果。对于团队下一步的计划，Mueller 解释说：
“我们的目标是实现更大的电路，可以利用有用的操作完成更多的任务。我们想要在更小尺寸的单个芯片上，完成完整的八比特设计，或者更多的比特。”
但是由于设计和制造，这个目标将面临挑战，所以Stefan Wachter 说：
“增加更多的比特，当然会使得每件事都会变得更加复杂。例如，增加仅仅一个比特，就会将电路的复杂性增加两倍。”
未来展望
二维材料例如二硫化钼，虽然有望成为硅的替代品。但是，对于制造更加复杂的电路来说，这些电路需要几千甚至几百万个晶体管，暂时还无法依靠这项新技术。
毕竟，生产二维材料以及进一步处理二维材料的工艺，目前仍然处于初级阶段。所以，目前它只是一种对于硅半导体技术的补充性技术。
对此，Mueller博士解释道：
“我们的电路或多或少是在实验室中用手工做成的，这样复杂的设计显然超出了我们的能力范围。每个晶体管必须按照计划运行，以使得处理器能够作为一个整体来工作。”
另外，未来提高多级设计工艺，将是开发 MoS2 微处理器的高产量生产方案的重要一步。因为在所有因素中，传输大区域、双层MoS2到晶圆上，会带来很高的失败率。所以，维也纳技术大学的Dmitry Polyushkin 认为：
“我们的方案在于将工艺提高到一个点，我们可以通过几万个晶体管，可靠地生产芯片。例如，直接在芯片上生长，这将会避免转移过程。这样可以带来更高的产量，让我们可以生产更加复杂的电路。”
研究人员认为，未来几年，这项技术将会有各种各样新的工业应用，柔性电子便是一个例子，例如医疗传感器和柔性显示器。因为，二维材料相比于传统的硅材料，具有更强的机械柔性。
参考资料
【1】http://www.tuwien.ac.at/en/news/news_detail/article/124895/
【2】Stefan Wachter, Dmitry K. Polyushkin, Ole Bethge, Thomas Mueller
Nature Communications | DOI: 10.1038/NCOMMS14948
【3】https://graphene-flagship.eu/flexible-microprocessors
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