時間的に遠くを見渡せば、シリコン時代の終焉がどこかで迫っていることに気づくかもしれない。ペンシルベニア州立大学の研究チームが、完全に二次元材料だけで動作する初の CMOS コンピューターを開発したと主張しているのだ。
ペンシルベニア州立大学工学科学教授サプタルシ・ダス氏が率いるチームは先週、現代のシリコンベースコンピュータの標準部品である相補型金属酸化膜半導体（CMOS）設計をベースにした2Dワン・インストラクション・セット・コンピュータ（OISC）の設計と構築を詳述した論文を発表しました。OISCは、単一の汎用命令ですべての演算を実行する、最小限の抽象機械モデルです。
ということは、私たちはポストシリコン、2Dコンピューティング革命を経験することになるのだろうか？ ダス氏は、そうではないだろうと語った。むしろ、2D CMOSコンピューターは特定の用途に特化していくだろう。
「エッジAI、ニューロモルフィックシステム、フレキシブルエレクトロニクスなどの専門分野で競争力を持つようになる可能性がある」とダス氏は語った。
彼らが開発した2Dマシンはシリコンフリーで、n型トランジスタには二硫化モリブデン、p型トランジスタには二セレン化タングステンを使用しています。この材料の組み合わせは「相補的な電気特性と比較的高い移動度を備え、有機金属化学気相成長法（MOCVD）によるスケーラブルな成長が実証されています」とダス氏はThe Registerへのメールで述べています。MOCVDは、トランジスタチャネルがわずか原子1個分の厚さのサファイアウエハ上に、研究チームの2D CMOSプラットフォームを製造するために使用されました。
2D CMOS回路の電子顕微鏡画像。p型トランジスタとn型トランジスタがそれぞれオレンジと青で表示されています。クリックして拡大します。
CMOSシステムは、CMOSコンピューティングの目標であるエネルギー効率と再利用性を実現するために、n型トランジスタとp型トランジスタ（それぞれ電子の過剰と不足によって回路に沿って電子を移動させる）の両方を必要とします。ダス氏によると、だからこそ、チームの2D CMOS設計は画期的なのです。
我々は初めて、完全に2D材料で作られたCMOSコンピューターを実証した。
「私たちは初めて、完全に2D材料で作られたCMOSコンピューターを実証しました」とダス氏はペンシルベニア州立大学のウェブサイトでの発表で述べた。
ただし、Das氏のシステムが高速だという意味ではない。研究論文によると、ペンシルベニア州立大学のチームは、電源電圧が3V未満の場合に最大25kHzの動作周波数しか達成できなかった。この速度は主に寄生容量によって制限されていた。寄生容量とは、近接した回路素子間の不要な容量で、スイッチング性能を低下させる。
寄生容量は現在問題となっているが、ダス氏はチームでその解決に取り組んでいると語った。チームのシミュレーションによると、寄生容量の問題が解決されれば、「2D-CMOSロジックゲートは200ピコ秒という低遅延を実現できる可能性がある。これは動作周波数約5GHzに相当する」という。
2D コンピューティングの未来はもうすぐ来るのでしょうか?
概念実証が構築され、テストされた今、次に当然浮かぶ疑問は、このシステムをスケールアップできるかどうかだ。ダス氏はスケールアップできると考えている。
「[スケーラビリティ]は私たちの仕事において最も重要な側面の一つです」とダス氏は語った。「一部のステップ（例えば、レイヤーの配置や転送など）はまだ手作業ですが、プロセスの大部分は業界のツールと互換性があり、自動化も可能です。」
ダス氏によると、チームは2インチのサファイアウエハー上に2,000個以上のトランジスタを製造し、95%の機能歩留まりを達成したという。残りの工程を自動化できれば、プロジェクトは大きな問題なくスケールアップできるとダス氏は期待している。
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ダス氏によると、テストチップは安定しており、回路は「繰り返し測定を行った結果、周囲環境下で堅牢な機能を示した」という。バイアスストレス、温度サイクル、放射線耐性を含む長期的な信頼性研究は、開発の次の段階に進んでいるという。
ダス氏によると、これらのテストと寄生容量の低減に加え、彼のチームは現在、より強力なプロセッサの開発を可能にするために命令セットとメモリの複雑さの拡張に取り組んでおり、ゲート長の縮小による性能向上や新しいゲート絶縁膜の統合にも取り組んでいるという。つまり、これを実用化するための作業は進行中である。®
