Atomar dünner Chip: Durchbruch verspricht schnellere, dünnere und energieeffizientere Geräte

Ein erster voll funktionsfähiger 2D-CMOS-Chip wurde durch ein Forscherteam unter der Leitung von Chunsen Liu an der Fudan University in Shanghai entwickelt. Dieser kombiniert atomar dünne 2D-Speicherzellen mit einem herkömmlichen Siliziumchip. In dem Fachmagazin Nature wird diese Errungenschaft detailliert beschrieben, welche die Lücke zwischen dem konzeptionellen Potenzial von 2D-Materialien und ihrer realen Anwendung schließt.

Seit Jahrzehnten arbeiten Wissenschaftler hart daran, die Schaltkreise auf Siliziumchips immer weiter zu verkleinern, doch die Technologie stößt nun an ihre physikalischen Grenzen. 2D-Materialien, die nur eine Atomschicht dick sind, könnten eine Lösung für dieses Problem bieten. Allerdings stellte die Integration dieser Materialien in konventionelle Prozessoren aufgrund ihrer Zerbrechlichkeit und Instabilität bisher ein großes technisches Hindernis dar.

Um diese Herausforderungen zu meistern, hat das Team eine neue Technologie entwickelt, genannt Atom2Chip. Diese umfasst mehrere Schlüsselinnovationen, darunter einen Full-Stack-On-Chip-Prozess, der die Integration des 2D-Materials (monolagiges Molybdändisulfid) auf die raue Oberfläche des CMOS-Chips ermöglicht, sowie eine spezielle Verpackung, welche die zerbrechliche atomare Schicht schützt.

Die Forscher entwickelten außerdem ein neues Kreuzplattform-System, um sicherzustellen, dass die neuartigen 2D-Schaltkreise nahtlos mit der etablierten CMOS-Plattform kommunizieren können. Entstanden ist nicht nur ein einfacher Labor-Prototyp, sondern ein voll ausgestatteter 1-Kb 2D NOR-Flash-Speicherchip, der komplexe, befehlsgesteuerte Operationen durchführen kann.

In Tests erreichte dieser Chip eine Taktfrequenz von 5 MHz und demonstrierte schnelle Programmier- und Löschgeschwindigkeiten von 20 Nanosekunden bei geringem Energieverbrauch. Dieser 2D-Flash-Chip dient als Blaupause für Speichergeräte der nächsten Generation und verspricht eine hohe Speicherdichte bei gleichzeitig sehr guter Energieeffizienz.

Obwohl sich die Demonstration auf die Datenspeicherung konzentrierte, könnte der gleiche Ansatz eines Tages auch auf Prozessoren angewendet werden. Solche Fortschritte könnten zu schnelleren, dünneren und energieeffizienteren Geräten führen.