Ученые впервые интегрировали 2D-материалы в обычные кремниевые чипы и создали рабочую память

Исследователи из Университета Фудань в Шанхае достигли прорыва в области полупроводников, впервые создав полностью функциональный чип памяти на основе двумерных материалов и интегрировав его непосредственно на стандартную кремниевую подложку. Результаты работы команды под руководством Чуньсэня Лю опубликованы в журнале Nature.

Разработка может стать поворотным моментом для 2D-электроники, которая долгое время обещала производительность и эффективность на атомном уровне, но не выходила за рамки лабораторных демонстраций. Используя процесс под названием ATOM2CHIP, учёные вырастили слой дисульфида молибдена толщиной всего в несколько атомов прямо поверх стандартного кремниевого чипа с техпроцессом 0,13 микрометра. Результат – гибридный чип, объединяющий массив 2D NOR flash-памяти со стандартным CMOS-контроллером, что фактически устраняет разрыв между экспериментальными наноматериалами и промышленным производством.

Команда из Фуданя сообщает о 94,34% годности при тестировании всего чипа – показатель, сравнимый с коммерческим кремниевым производством. Рабочая скорость достигает 5 МГц, а каждый бит потребляет всего 0,644 пикоджоуля – значительно меньше, чем современные кремниевые flash-ячейки. Память продемонстрировала быструю запись и стирание за 20 наносекунд, сохранение данных в течение десяти лет и выносливость более 100 000 циклов перезаписи.

Главной технической проблемой стала шероховатость поверхности. Кремниевые чипы даже после полировки имеют неровную структуру на нанометровом уровне, способную разорвать или повредить атомарно тонкие слои. Метод ATOM2CHIP включает процесс конформной адгезии, позволяющий 2D-материалу "обтекать" контуры нижележащих схем без разрушения, а специальная система упаковки защищает от тепла и электростатических повреждений.

Не менее важным стал кросс-платформенный системный дизайн – пользовательский интерфейс, обеспечивающий бесшовную связь между 2D-слоем и CMOS-логикой управления. Эта конструкция поддерживает операции по командам, 32-битный параллелизм и произвольный доступ, то есть все возможности полноценного чипа памяти.

Ученые описывают результат как важное достижение в распространении преимуществ 2D-электроники на реальные приложения. Последствия выходят далеко за рамки flash-накопителей. При масштабировании подобные гибридные архитектуры могут радикально снизить энергопотребление и увеличить плотность в процессорах следующего поколения и ИИ-ускорителях, фактически продолжая закон Мура на атомном пределе. Хотя массовое производство остаётся делом будущих лет, это явный прогресс в выводе 2D-материалов на коммерческий уровень.