Китайцы разработали 32-bit RISC-V процессор с полупроводником толщиной в пару атомов. Что за чип?

На днях в сети появилась интересная новость: китайские ученые создали ^[1] 32-битный процессор RV32-WUJI ^[2] на основе полупроводника толщиной в несколько атомов. Этот чип на архитектуре RISC-V — пока только демонстрация того, как новые полупроводники могут работать в электронике. Возможно, разработка будет активно использоваться в отрасли «Интернета вещей» и некоторых других. О новом изобретении и его значении для науки сегодня и поговорим.

2D-полупроводники в микроэлектронике

Микроэлектроника десятилетиями опиралась на кремний как основной материал для производства чипов. Но по мере снижения размеров транзисторов в кристалле у кремниевых процессоров возникают серьезные проблемы: ток начинает утекать даже в выключенном состоянии, сами чипы сильнее нагреваются, а их производство становится сложнее и дороже.

Сейчас появилась надежда, что эти трудности удастся преодолеть. Китайские исследователи, опубликовавшие ^[1] свою работу в журнале Nature в апреле 2025 года, предложили альтернативу — RV32-WUJI. Это процессор с 5 900 транзисторами, выполненными из дисульфида молибдена (MoS₂).

MoS₂ — химическое соединение, состоящее из одного атома молибдена (Mo) и двух атомов серы (S). Выглядит как темно-серый или черный порошок с металлическим блеском. Его добывают из природного минерала молибденита, но возможно и получение в лаборатории. У него слоистая структура, как у графита. Китайцы решили использовать MoS₂ как основу для транзисторов вместо привычного кремния. Положительный момент — возможность делать чипы ультратонкими и потенциально более энергоэффективными. Отрицательный — пока что лабораторный образец чипа далек от производительности даже самых слабых процессоров нового времени.

RV32-WUJI работает на частоте в пределах нескольких килогерц (даже не мега, да). Но создатели новинки и не планировали бить рекорды. Разработчики в первую очередь стремились показать, что можно создавать ультратонкие чипы на основе новых материалов. Это им удалось: процессор выполняет полный набор инструкций 32-битной архитектуры RISC-V. 

Подробнее о RV32-WUJI

Создание RV32-WUJI стало возможным благодаря выращиванию листов MoS₂ на сапфировой подложке. Метод решает ключевую проблему масштабирования двумерных материалов.

А именно — в кремниевых элементах свойства транзисторов можно настраивать с помощью легирования (введения примесей). А вот MoS₂ из-за своей атомарной толщины не позволяет использовать этот подход. Чтобы обойти ограничение, исследователи применили два разных металла — алюминий и золото — для формирования контактов. А еще — выбрали окружающие материалы, позволяющие точно регулировать пороговые напряжения транзисторов.

В процессоре задействованы инверторы в режиме обеднения (depletion mode). Ученые создали и протестировали 25 логических элементов. 18 оказались полностью работоспособными и были использованы при сборке чипа. Далее авторы проекта замерили время, за которое сигнал проходит по самой длинной цепочке элементов на чипе. На основе этих данных определили, с какой максимальной частотой может работать процессор. Она оказалась в пределах нескольких килогерц.

Почти все изготовленные компоненты (99,9%) и чипы (99,8%) работали корректно, что говорит о высокой надежности технологии. Правда, некоторые части процессора оказались капризными. Например, только 71% 8-битных регистров функционировали без ошибок, а среди более сложных 64-битных регистров, каждый из которых состоит из 1 152 транзисторов, исправными оказались ^[3] всего 7%.​

Процессор содержит ключевые логические блоки, включая декодер инструкций RISC-V, однако часть операций реализована в упрощенном виде. Так, сложение двух 32-битных чисел выполняется по одному биту за такт и занимает 32 такта. Это осознанный компромисс между функциональностью и простотой архитектуры. Кстати, для подбора материалов и конфигурации соединений чипа использовался искусственный интеллект ^[4] — это ускорило работу команды.

Значение для техники: энергоэффективность и нишевые применения

RV32-WUJI не предназначен для замены кремниевых процессоров в смартфонах, ноутбуках или дата-центрах. Во всяком случае сейчас. Его рассматривают как нишевый чип, его станут использовать там, где важны минимальное энергопотребление и компактность. И, конечно, где не нужна высокая производительность. Например, IoT — это сенсоры для мониторинга окружающей среды, медицинские имплантаты или спутниковые системы. Благодаря ультратонкой структуре и низкому тепловыделению такие чипы могут работать там, где традиционные процессоры слишком громоздки или энергоемки.

Для научного сообщества RV32-WUJI не просто чип, а платформа для исследований. 2D-полупроводники, такие как MoS₂, весьма перспективны. Ученые считают ^[6], что на их базе возможны новые открытия в физике твердого тела, материаловедении и электронике. Успешная сборка почти 6 000 транзисторов в одном чипе уже показала, что 2D-материалы можно масштабировать до уровня сложных систем, что ранее считалось недостижимым. Это открывает путь к экспериментам с другими компонентами, такими как диселенид вольфрама (WSe₂), и к созданию гибридных технологий, сочетающих кремний и 2D-полупроводники.

В любом случае авторы проекта доказали, что в отрасли разработки и производства чипов возможны альтернативные подходы. Отказ от использования экстремальной ультрафиолетовой литографии (EUV), необходимой при изготовлении современных кремниевых процессоров, может упростить и удешевить экспериментальные разработки, сделав их доступными для университетов и небольших компаний. К тому же открытая архитектура RISC-V, лежащая в основе RV32-WUJI, позволяет разработчикам свободно адаптировать чип под конкретные задачи без лицензионных ограничений. Это особенно актуально для Китая в условиях технологических санкций да и других стран тоже.

RV32-WUJI — только начальный этап. Для повышения производительности и надежности таких процессоров потребуется еще много работы.