Un microprocessore RISC-V a 32 bit basato su semiconduttori bidimensionali

La ricerca di materiali alternativi al silicio ha fatto un altro passo avanti grazie a un gruppo di ricercatori cinesi che ha realizzato un microprocessore RISC-V a 32 bit utilizzando il disolfuro di molibdeno (MoS2). Lo studio, pubblicato su Nature e riportato da Ars Technica, dimostra la possibilità di costruire circuiti integrati su scala wafer con materiali bidimensionali. 

Il disolfuro di molibdeno, come il grafene, è un materiale ultrasottile con proprietà elettroniche uniche. A differenza del grafene, che è un eccellente conduttore ma privo di bandgap, il MoS2 è un semiconduttore, il che lo rende ideale come base per la realizzazione di transistor.

I ricercatori sono riusciti a sfruttare questa caratteristica per costruire il microprocessore RV32-WUJI, composto da circa 5.900 transistor e in grado di eseguire l'intero set di istruzioni a 32 bit dell'architettura RISC-V. Sebbene la velocità di clock sia limitata a pochi kilohertz e sia molto limitato nelle sue capacità, questo processore dimostra che è possibile fabbricare dispositivi elettronici complessi con materiali diversi dal silicio.

Fondamentale in questa innovazione è stato lo sviluppo di un processo di produzione compatibile con le tecnologie già utilizzate per il silicio. Gli scienziati hanno utilizzato substrati di zaffiro per far crescere strati continui di MoS2 su scala wafer. Per superare le difficoltà legate alla mancanza di drogaggio del materiale - una tecnica comune nel silicio per modificare il comportamento dei semiconduttori - i ricercatori hanno utilizzato due metalli diversi, alluminio e oro, per ottimizzare le tensioni di soglia dei transistor.

La produzione del chip ha comportato una fase di sperimentazione con diversi componenti logici, selezionando quelli con il miglior rendimento. Su 25 tipi di porte logiche testate, 18 sono risultate funzionali e sono state impiegate nella costruzione del microprocessore. Grazie all'uso del machine learning, il team ha identificato le configurazioni ottimali per il cablaggio e i materiali, ottenendo una resa produttiva superiore al 99,9% per i transistor individuali e del 99,8% a livello di chip.

Nonostante le difficoltà incontrate, come la scarsa resa nei registri a 64 bit, l'importanza di questa ricerca sta nell'aver superato una delle principali sfide dei materiali bidimensionali: la scalabilità. Finora, l'integrazione di semiconduttori 2D era limitata a poche centinaia di transistor, mentre il nuovo processore ne integra quasi 6.000.

Il disolfuro di molibdeno è quindi lontano dal poter sostituire il silicio, ma in prospettiva potrebbe trovare impiego in dispositivi a bassissimo consumo energetico, come sensori intelligenti e l'ambito IoT.