Китайские ученые создали 32-битный RISC-V процессор без кремния

Введение

2 апреля 2025 года китайские ученые сделали очень перспективное открытие — им удалось создать передовой 32-битный процессор на архитектуре RISC-V, не из кремния, а из совершенно другого материала под названием дисульфид молибдена. Если эта разработки в этом направлении будут развиваться, дисульфид молибдена может стать основой для энергоэффективных CPU будущего.

Что такое дисульфид молибдена?

Дисульфид молибдена (MoS2) очень схож с таким материалом, как графен, однако, он имеет свойства полупроводника ввиду оптимального сопротивления. Из-за своей структуры, которая является тончайшей пленкой толщиной в несколько атомов, дисульфид молибдена открывает совершенно новые перспективы в создании транзисторов для микроэлектроники. Перспективы дисульфида молибдена были обнаружены швейцарскими учеными еще в январе 2011 года, однако, в тот момент главной преградой была сложность производства этого материала. Теперь проблема доступности MoS2 полностью решена, так как в 2019 году ученые научились выращивать кристаллы дисульфида молибдена в виде двумерной пленки площадью в несколько десятков квадратных сантиметров на сапфировой подложке, что стало толчком для начала разработки процессоров из этого синтетического материала. Однако, у MoS2 есть ряд недостатков по сравнению с кремнием, в частности, пороговое напряжение последнего можно регулировать, внедряя в материал примеси. Чтобы компенсировать этот недостаток, ученые добавили в кристалл MoS2 примеси сразу нескольких металлов, таких как золото и алюминий.

Подробности о RV32-WUJI

Новый 32-битный CPU на базе архитектуры RISC-V из дисульфида молибдена получил название RV32-WUJI. Этот процессор насчитывает 5900 транзисторов и он способен выполнять полный перечень 32-битных команд RISC-V, благодаря чему CPU можно использовать даже для таких сложных задач, как декодирование. Но из-за аппаратных ограничений, таких как низкая тактовая частота, измеряемая в килогерцах, некоторые операции RV32-WUJI выполняет с определенными условностями. Например, для сложения двух 32-битных чисел процессор работает с каждым битом по отдельности, то есть для выполнения операции требуется 32 такта. По тем же причинам производительность процессора в 8-битном регистре падает до 71%, а в 64-битном регистре — до 7%.Для хранения промежуточных результатов также требуются встроенные буферы.

Изготовить такое устройство было весьма непростой задачей для китайских ученых. Для обеспечения работы транзисторов применяются инверторы в режиме обеднения. Чтобы создать функциональную схему из таких транзисторов, исследователи протестировали 25 чипов, 18 из которых оказались рабочими. На основе этих 18 рабочих процессоров ученые и создали доработанных чип RV32-WUJI. Общий выход работоспособных микросхем составил более 99,9%, а выход работоспособных транзисторов — 99,8%.

Выводы

Новые процессоры RV32-WUJI имеют большое будущее благодаря своей высокой энергоэффективности — их можно будет использовать в устройствах IoT, флеш-накопителях, компактных сенсорах и массе других устройств. Однако, ученые отмечают, что эти чипы являются одними из самых сложных в исполнении устройств в области микроэлектроники, при этом имеют низкую производительность, ввиду чего вряд ли они смогут заменить кремниевые устройства в ближайшее время. Тем не менее, если технология производства процессоров из дисульфид молибдена продолжит развиваться, перспективы их применения могут значительно расшириться.