Un procesor pe 32 de biți realizat cu un semiconductor subțire din punct de vedere atomic
O echipă de ingineri de la Universitatea Fudan a proiectat, construit și rulat cu succes un microprocesor RISC-V pe 32 de biți, numit RV32-WUJI care utilizează disulfură de molibden (MoS2) în loc de siliciu ca componentă semiconductoare. Lucrarea lor este publicată în revista Nature, raportează phys.org.
Majoritatea microprocesoarelor sunt fabricate folosind siliciu semiconductor, material folosit de mai bine de câteva decenii. Dar, pe măsură ce cercetătorii încearcă să facă procesoare din ce în ce mai mici, siliciul își dovedește limitele. În schimb, mulți cercetători s-au orientat către materiale 2D, cum ar fi grafenul, dar acest lucru este o provocare, deoarece acesta este un conductor, nu un semiconductor.
În acest nou studiu, echipa de cercetare a folosit un material semiconductor aproape 2D, foi cu o singură moleculă de disulfură de molibden. Aceste foi nu sunt cu adevărat 2D, deoarece se leagă într-un unghi, rezultând o suprafață ușor în zig-zag. Pentru a face un procesor din ele, au folosit un substrat de safir.
Cu toate acestea, au existat câteva provocări distincte legate de MoS2. În siliciul normal, tensiunea de prag a unui tranzistor poate fi ajustată prin doparea siliciului – implantând impurități care modifică comportamentul semiconductorului. Dar nu există nicio modalitate de a implanta o impuritate într-o singură moleculă. Toți semiconductorii RV32-WUJI sunt de tip n, iar performanța lor nu poate fi ajustată. Cercetătorii de la Universitatea Fudan au folosit două metale diferite (aluminiu și aur) pentru cablare și au ajustat tensiunile de prag ale fiecărui tranzistor prin alegerea cablajului, precum și a materialului în care a fost încorporat cablajul.
La nivel de cip, cercetătorii au experimentat construirea a mai multor dispozitive individuale și apoi au folosit machine learning (AI) pentru a identifica combinația optimă de cablare și materiale care au asigurat că fiecare tranzistor individual se va afla în limitele de performanță necesare.
La nivelul tranzistorului, dispozitivul folosește ceea ce se numesc invertoare în modul de epuizare. Pentru a construi circuite funcționale, cercetătorii au construit și testat o suită completă de 25 de porți logice și le-au testat. Optsprezece erau funcționale, iar cercetătorii au construit cipul folosindu-le. Ei au folosit cea mai lungă cale prin cip pentru a determina întârzierea pe care au trebuit să o ia în considerare, care a stabilit o limită superioară a vitezei de ceas în interval de kiloherți. Randamentul general la realizarea cipului a fost de peste 99,9%, cu un randament la nivel de cip de 99,8%.
Acestea fiind spuse, unele dintre circuite s-au dovedit considerabil mai provocatoare. Randamentul pe registre pe opt biți, de exemplu, a fost de numai 71 la sută, iar acesta a scăzut la doar 7 la sută pentru un registru pe 64 de biți (care necesita 1.152 de tranzistori).
Procesorul de testare final pe care l-a construit echipa a fost realizat folosind 5.900 de tranzistori și a fost pe deplin capabil să ruleze versiunea completă pe 32 de biți a setului de instrucțiuni RISC-V. Ei au demonstrat că a funcționat prin adunarea a două numere pe 32 de biți.
Echipa sugerează că cipul lor este probabil cel mai sofisticat microprocesor fără silicon realizat vreodată. Ei recunosc, de asemenea, că cipul lor nu este încă pregătit pentru utilizare într-o aplicație reală, deși sugerează, cu câteva modificări, că ar putea fi util pentru aplicații de nișă rudimentare, cum ar fi situațiile care necesită tensiune extrem de scăzută.
