原子级薄的材料可减少一半晶体管的需求

随着碳纳米管和石墨烯的发展，科学家们获得了一种全新的材料集合：片材和管材，其厚度大致与单个原子一致。这些材料有望构建尺寸小于目前通过任何其他工艺的电子器件，并通过使用不同起始材料来调节特性。

到目前为止，大部分研究集中在以往设备材料上的微小创新。但是，上海的一组研究人员撰写的一篇新论文探讨了如果不受硅基器件的限制，可以做些什么。结果表明新的材料仅需硅晶体管数量的一半就可执行基本逻辑，同时利用光在不同的逻辑操作之间切换，并且可以将操作的输出存储在器件本身中。

OR还是AND？

计算机指令可以简化为一系列简单的逻辑运算。其中，最简单的事AND和OR。只有当两个输入都是1时，AND才会产生值1;如果两个输入中的任何一个为1，则执行此操作。

但是这些逻辑运算与我们可以用硅做的事情之间存在不匹配：硅晶体管只能从单个信号源输入，而不是这里需要的两个输入。结果，这些操作需要处理器上的两个晶体管。

然而，由原子级薄材料制成的晶体管可以具有完全不同的结构。研究人员使用了二硫化钼（MoS2），形成比其原子组分略厚的类石墨烯片。与硅一样，MoS2是半导体；与硅不同，在单层材料的上方和下方放置输入门相对容易。这允许图层从两个不同的源获取输入，使其与逻辑操作的输入直接匹配。

更好的是，研究人员发现他们可以制作极其相似的设备，执行不同的逻辑操作。MoS2的各个层可能是原子级薄的，但可以将多个层堆叠在一起。最初，只有几张纸堆叠在一起，MoS2形成一个单独的半导体层，只有当它上面和下面的栅极处于“开启”状态时才会切换到导通。这使得与AND功能完美匹配。

但是继续添加层，厚度最终将达到上下门可以独立控制离它们最近的MoS2片的传导的点。作者将其与同一设备上的两个“频道”进行了比较。如果这些通道中的任何一个被设置为“on”，那么一些电流将流过该设备，使其全局状态“打开”。这与逻辑OR功能完美匹配。

临界厚度为4纳米，不到尖端芯片现有特征尺寸的一半。如果将MoS2片层叠成4nm以上的层，则晶体管将表现为OR门。低于该厚度，它将执行AND操作。

光和记忆

等等，还有更多！一个实例是，可以将AND设备切换为使用正确波长的光执行OR运算的设备。其要点是输入门通过激发MoS2内的电子进入有助于传输电流的状态。在薄的MoS2层中，两个输入都必须将电子推入导带以获得任何电流流动。这给了我们一个AND功能。

但是适当波长的光也可以将电子推入导带。结果，光降低了由输入引起的导电电子的要求。因此，只需要两个输入门中的一个处于“导通”状态，晶体管就可以导通。因此，将光照射在薄的MoS2薄片上就足以将AND器件转换成OR器件。

研究人员也没有就此止步。为了最后的演示，他们在MoS2旁边的一层石墨烯中滑动。石墨烯能够捕获一些导电电子并储存它们。如果晶体管最终处于“导通”状态，则足够的这些电子将溢出到石墨烯中，使其具有足够的电荷以使其保持在“接通”状态。而这正是晶体管将保持不变，直到电子从石墨烯中特别排出。通过这种方式，石墨烯可以充当一位存储器，存储一个过去操作的结果，直到器件复位。

我们需要多少个晶体管？

总的来说，这项工作可以很好地提醒我们，与我们目前正在使用的东西相比，原子级薄材料具有独特的性质，并且考虑如何有效地利用这些属性。将基本逻辑运算所需的晶体管数量减少一半似乎是显著降低芯片复杂性的好方法。

在某种程度上，这里所说明的基于光的切换与此相反，因为必须保持对晶体管的访问以便将光泵入其中。尽管如此，可能还有一些情况是光学电路与芯片集成在一起。操作结果可以存储在执行操作的晶体管中，但是需要完全不同的编程模型来对其进行任何操作。

由于这些存在的问题，目前尚不清楚这些具体产品是否会有什么变化。但是，如果MoS2出于进入芯片行业，你可以期待人们将寻找充分利用其能力的方法。