Шанхайская компания Shanghai Atomic Technology запустила первую в мире демонстрационную линию по производству микропроцессоров WUJI на основе двумерного дисульфида молибдена, бросая вызов господству кремния в полупроводниковой индустрии.
В статье рассмотрим, как новая технология преодолевает фундаментальные физические ограничения кремния, каковы ее преимущества в энергоэффективности и производительности, а также какое место этот прорыв занимает в глобальной гонке за материалами будущего.
Чипы нового поколения
Китайская Shanghai Atomic Technology, основанная в феврале 2025 года профессором Бао Вэньчжуном из Фуданьского университета, запустила в Шанхае первую демонстрационную линию по производству микропроцессоров WUJI нового поколения из «двумерного» материала дисульфида молибдена вместо кремния. Полномасштабное серийное производство запланировано на июнь 2026 года, как сообщает China Daily.
Дисульфид молибдена десятилетиями был ключевым элементом технологического прогресса, однако дальнейшее уменьшение размеров транзисторов приводит к утечкам тока, увеличению тепловыделения и усложнению производственных процессов.
Китайские специалисты видят в ультратонких двумерных материалах потенциал для следующего этапа миниатюризации и повышения энергоэффективности.
Компания планирует, что WUJI будут не менее производительными, чем современные процессоры. В 2026 году ожидается достижение уровня, аналогичного кремниевому техпроцессу в 90 нанометров. К 2027 году планируется достичь 28 нм, а к 2028 году — 5 нм и 3 нм.
WUJI работает на 32-битной архитектуре и способен выполнять сложение и вычитание чисел до 4,2 млрд, а также обрабатывать данные в гигабайтах.
Он включает 5,9 тыс. транзисторов, что является рекордом для 2D-технологий данного типа. Современные высокопроизводительные чипы для смартфонов содержат миллиарды транзисторов. Однако при уменьшении размеров чипов кремний сталкивается с физическими ограничениями, которые вызывают утечку энергии и перегрев.
Двумерный материал дисульфид молибдена толщиной всего в несколько атомов обеспечивает более эффективную передачу электрических сигналов с меньшим выделением тепла. Это особенно важно для развития искусственного интеллекта, где высокое энергопотребление является основным препятствием.
Перспектива дисульфида молибдена
Дисульфид молибдена (MoS₂) — это перспективный двумерный полупроводник с простой и эффективной структурой: слой атомов молибдена заключен между двумя атомными слоями серы. Общая толщина такого «сэндвича» составляет всего три атома. Благодаря ультратонкому каналу транзисторы на основе MoS₂ обеспечивают хороший электростатический контроль, что резко подавляет короткоканальные эффекты при масштабировании.
На поверхности материала отсутствуют реакционноспособные висячие связи, что ведет к снижению плотности дефектов и минимизирует паразитные токи утечки. В результате эти транзисторы сохраняют стабильные полупроводниковые свойства даже в монослое, работая с более высокой энергоэффективностью и меньшим тепловыделением по сравнению с современными кремниевыми аналогами.
Эти характеристики помогут создавать энергоэффективную электронику для широкого спектра применения, например миниатюрные сенсоры, автономные IoT-устройства и специализированные низковольтные вычислительные блоки.
MoS₂ уже выращивают на пластинах промышленного формата, а многие этапы обработки интегрируются в стандартные CMOS-процессы.
Как отмечает профессор Бао Вэньчжун, дорожная карта технологии предполагает достижение уровня, сопоставимого с 90-нм техпроцессом кремния в 2026 году, с последующим переходом к эквивалентам 28 нм и 5–3 нм. Дополнительными преимуществами материала являются высокая радиационная стойкость и механическая гибкость, что расширяет область его применения до аэрокосмической отрасли и гибкой электроники.
В последние годы появились прототипы транзисторов без традиционного затворного диэлектрика, а также усовершенствованные методы легирования, направленные на повышение подвижности носителей заряда.
Ключевые отличия от кремния
В отличие от объемного (3D) кремния (Si), свойства которого, особенно при нанометровых толщинах, деградируют из-за шероховатости поверхности и высокой утечки тока, MoS₂ представляет собой принципиально двумерный (2D) материал. Он существует в виде идеально гладкого и однородного атомарного слоя — вся активная область транзистора располагается в одной плоскости.
На кремнии образуются химически активные «висячие» связи, которые захватывают заряды, создают дефекты и шум, увеличивая энергопотребление, и для их подавления требуются сложные операции. Поверхность же MoS₂ инертна от природы, поскольку материал обладает прочными ковалентными связями внутри слоя, а между слоями действуют лишь слабые силы Ван-дер-Ваальса (нековалентные межмолекулярные взаимодействия электростатической природы, возникающие из-за поляризации электронных оболочек молекул). Это изначально обеспечивает низкий уровень дефектов и высокую стабильность.
Электронные свойства материалов также фундаментально различны. Кремний имеет непрямую запрещенную зону (~1,12 эВ), что ограничивает его эффективность в ультратонких слоях и требует больших напряжений для переключения. В то же время монослой MoS₂ обладает прямой и более широкой зоной (~1,8 эВ), что позволяет создавать более энергоэффективные транзисторы с высоким отношением тока во включенном и выключенном состояниях даже при субнанометровых толщинах.
В отличие от хрупкого и непрозрачного кремния, атомарные слои MoS₂ гибкие и полупрозрачные, что критически важно для создания гибких дисплеев, прозрачных схем, носимых и биосовместимых устройств. Кроме того, благодаря своей уникальной структуре и отсутствию висячих связей, MoS₂ демонстрирует значительно более высокую радиационную стойкость по сравнению с кремнием, что является может сделать его идеальным решением для его применения в космической и оборонной отраслях.
Глобальные тенденции в развитии альтернатив кремния
Исследования альтернатив кремнию активно ведутся по всему миру. В Соединенных Штатах и Европе ученые активно разрабатывают транзисторы и миниатюрные схемы на основе дисульфида молибдена и других двумерных материалов, хотя чаще речь идет о создании отдельных компонентов, а не полноценных систем.
Летом 2025 года исследовательская группа из Университета штата Пенсильвания представила работающий 2D-компьютер без использования кремния, созданный на основе дисульфида молибдена и диселенида вольфрама, с тысячами транзисторов каждого материала. Американские и индийские команды продемонстрировали прототипы с высокой энергетической эффективностью, хотя их рабочие частоты пока остаются на низком уровне.
Крупные технологические компании также ищут новые решения. Например, Samsung планирует перейти на использование стеклянных подложек в упаковке чипов к 2028 году. В США и Европе проводятся эксперименты с графеном для реализации межсоединений и создания фотонных вычислительных систем.
В России основное внимание уделяется карбиду кремния для силовой электроники, а в Индии двумерные материалы рассматриваются как способ сократить технологическое отставание от ведущих стран.
Параллельно растет интерес к нитриду галлия и другим широкозонным полупроводникам, которые могут быть использованы в мощных и высоковольтных устройствах.
Несмотря на это, кремний по-прежнему останется важным материалом в ближайшие годы. Его производственная экосистема хорошо развита, а объемы производства велики. Однако шанхайский проект показывает, что альтернативные материалы начинают выходить за рамки лабораторных исследований. Если планы будут реализованы хотя бы частично, первые коммерческие устройства на основе двумерных материалов могут появиться гораздо раньше, чем ожидалось.