オーストリアのウィーン工科大学のエンジニアチームは、二硫化モリブデン半導体を使用して、これまでで最も複雑でフラットかつフレキシブルなマイクロプロセッサを開発したと主張している。
言い換えれば、これはシリコンに代わる実現可能な代替品の実証です。ここでのキーワードは「代替」であり、「置き換え」ではありません。
シリコンはほぼすべての電子機器の心臓部であり、エンジニアたちはシリコン上に印刷される回路を絶えず縮小し、ダイに詰め込むトランジスタの数を増やし、ウェーハに詰め込むダイの数も増やしています。インテルは、1平方ミリメートルあたり最大1億800万個の10nm FinFETトランジスタを詰め込めると見積もっています。これを実現するには、3Dトランジスタを構築する必要があります。こうして生まれたチップは高性能ですが、特に曲げたり柔軟にしたりできるわけではなく、ファンやヒートシンクが隣接した分厚いパッケージに収められていることが多いのです。
ウィーンのチームはそれを厳密に 2D に留めています。比較すると単純な低密度設計ですが、プラスチックフィルムに印刷して、小型電子機器を衣服、小さな物体、モノのインターネットに組み込むことができます。
火曜日にNature Communications誌に掲載され、arXivで無料で公開されている彼らの論文は、厚さ約280nmの115個のトランジスタを集積した二硫化モリブデン半導体を、0.6mm²サイズのマイクロプロセッサに集積する方法を示しています。このマイクロプロセッサは、外部メモリに保存されたプログラムを実行し、論理演算を実行できます。重要なのは、前述の通り、これらのトランジスタが今日の複雑な3D FinFET設計とは対照的に、2Dで平坦であることです。
この原始的なレイアウトにより、MoS 2トランジスタを薄膜プラスチック上に印刷し、シリコンチップパッケージよりもはるかに容易にデバイスに組み込むことができるようになります。論文の要約では次のように説明されています。
それ以来、マイクロプロセッサはほぼすべてシリコンで作られてきましたが、集積密度と速度の向上、消費電力の低減、そして日用品への統合性の向上に対する需要の高まりにより、代替材料の探求が促されています。ゲルマニウムやIII-V族化合物半導体は、将来の高性能プロセッサ世代の有望な候補と考えられており、薄膜プラスチック技術やカーボンナノチューブをベースにしたチップは、IoT（モノのインターネット）向けに任意の物体に電子インテリジェンスを埋め込むことを可能にする可能性があります。
本稿では、二次元半導体である二硫化モリブデンを用いた1ビットマイクロプロセッサの実装を紹介します。このデバイスは、外部メモリに保存されたユーザー定義プログラムの実行、論理演算、周辺機器との通信が可能です。この1ビット設計は、マルチビットデータへの拡張が容易です。このデバイスは115個のトランジスタで構成され、二次元材料を用いた回路としてはこれまでで最も複雑なものとなります。
MiS 2半導体は、今日の最新マイクロプロセッサに詰め込まれた数十億個のトランジスタと比較すると、トランジスタ数が圧倒的に少ないため、すぐにシリコンに取って代わることはないだろう。今回説明されたシステムは、4つの命令を実行できる1ビットCPUに過ぎないが、設計図はマルチビット設計へと拡張できるとされている。
MoS 2半導体の概略図とフラットマイクロプロセッサの設計におけるその位置（画像提供：WachterらおよびNature Communications）
「MoS 2膜の均一性が改善されれば、私たちの設計を単純な8ビットプロセッサに拡張するのはかなり簡単だと私たちは考えています」と論文の共著者でウィーン工科大学の准教授であるトーマス・ミュラー氏はThe Register に語った。
より複雑な回路を実現するには、現在のNMOS設計をCMOSに置き換える必要があります。また、数十ナノメートルのチャネル長を持つトランジスタにおいて、回路に必要な良好な電流飽和特性を得るためには、MoS 2トランジスタの接触抵抗を低減する必要があります。
シリコン代替材料の実現可能性を阻む大きな障害は製造工程にあります。今日のシリコンを大量生産するマイクロチップ工場の建設と運営には数十億ドルの費用がかかり、新たな材料は製造システムに適合しなければなりません。
MoS 2チップは標準的な半導体エッチングプロセスで製造できるとのことですが、残念ながら、現時点では二硫化モリブデン部品の製造はシリコンを使用するよりも困難です。現段階の設計では材料の欠陥に対する許容度があまり高くなく、歩留まりが低くなっています。
「私たちの回路はほぼ実験室で手作業で作られているため、このような複雑な設計は当然ながら私たちの能力をはるかに超えています。プロセッサ全体が機能するためには、トランジスタの一つ一つが設計通りに機能する必要があります」とミュラー氏は説明した。
平坦な半導体には他にも利点があります。材料がより柔軟であるため、医療用センサーや曲げられるディスプレイなどへの応用が期待されます。全体として、これはまだ非常に興味深く、着実に発展途上にあると言えるでしょう。®
