隨著碳納米管和石墨烯的發(fā)展，科學(xué)家們獲得了一種全新的材料集合：片材和管材，其厚度大致與單個(gè)原子一致。這些材料有望構(gòu)建尺寸小于目前通過(guò)任何其他工藝的電子器件，并通過(guò)使用不同起始材料來(lái)調(diào)節(jié)特性。

到目前為止，大部分研究集中在以往設(shè)備材料上的微小創(chuàng)新。但是，上海的一組研究人員撰寫的一篇新論文探討了如果不受硅基器件的限制，可以做些什么。結(jié)果表明新的材料僅需硅晶體管數(shù)量的一半就可執(zhí)行基本邏輯，同時(shí)利用光在不同的邏輯操作之間切換，并且可以將操作的輸出存儲(chǔ)在器件本身中。

OR還是AND？

計(jì)算機(jī)指令可以簡(jiǎn)化為一系列簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算。其中，最簡(jiǎn)單的事AND和OR。只有當(dāng)兩個(gè)輸入都是1時(shí)，AND才會(huì)產(chǎn)生值1;如果兩個(gè)輸入中的任何一個(gè)為1，則執(zhí)行此操作。

但是這些邏輯運(yùn)算與我們可以用硅做的事情之間存在不匹配：硅晶體管只能從單個(gè)信號(hào)源輸入，而不是這里需要的兩個(gè)輸入。結(jié)果，這些操作需要處理器上的兩個(gè)晶體管。

然而，由原子級(jí)薄材料制成的晶體管可以具有完全不同的結(jié)構(gòu)。研究人員使用了二硫化鉬（MoS2），形成比其原子組分略厚的類石墨烯片。與硅一樣，MoS2是半導(dǎo)體；與硅不同，在單層材料的上方和下方放置輸入門相對(duì)容易。這允許圖層從兩個(gè)不同的源獲取輸入，使其與邏輯操作的輸入直接匹配。

更好的是，研究人員發(fā)現(xiàn)他們可以制作極其相似的設(shè)備，執(zhí)行不同的邏輯操作。MoS2的各個(gè)層可能是原子級(jí)薄的，但可以將多個(gè)層堆疊在一起。最初，只有幾張紙堆疊在一起，MoS2形成一個(gè)單獨(dú)的半導(dǎo)體層，只有當(dāng)它上面和下面的柵極處于“開啟”狀態(tài)時(shí)才會(huì)切換到導(dǎo)通。這使得與AND功能完美匹配。

但是繼續(xù)添加層，厚度最終將達(dá)到上下門可以獨(dú)立控制離它們最近的MoS2片的傳導(dǎo)的點(diǎn)。作者將其與同一設(shè)備上的兩個(gè)“頻道”進(jìn)行了比較。如果這些通道中的任何一個(gè)被設(shè)置為“on”，那么一些電流將流過(guò)該設(shè)備，使其全局狀態(tài)“打開”。這與邏輯OR功能完美匹配。

臨界厚度為4納米，不到尖端芯片現(xiàn)有特征尺寸的一半。如果將MoS2片層疊成4nm以上的層，則晶體管將表現(xiàn)為OR門。低于該厚度，它將執(zhí)行AND操作。

光和記憶

等等，還有更多！一個(gè)實(shí)例是，可以將AND設(shè)備切換為使用正確波長(zhǎng)的光執(zhí)行OR運(yùn)算的設(shè)備。其要點(diǎn)是輸入門通過(guò)激發(fā)MoS2內(nèi)的電子進(jìn)入有助于傳輸電流的狀態(tài)。在薄的MoS2層中，兩個(gè)輸入都必須將電子推入導(dǎo)帶以獲得任何電流流動(dòng)。這給了我們一個(gè)AND功能。

但是適當(dāng)波長(zhǎng)的光也可以將電子推入導(dǎo)帶。結(jié)果，光降低了由輸入引起的導(dǎo)電電子的要求。因此，只需要兩個(gè)輸入門中的一個(gè)處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，晶體管就可以導(dǎo)通。因此，將光照射在薄的MoS2薄片上就足以將AND器件轉(zhuǎn)換成OR器件。

研究人員也沒(méi)有就此止步。為了最后的演示，他們?cè)贛oS2旁邊的一層石墨烯中滑動(dòng)。石墨烯能夠捕獲一些導(dǎo)電電子并儲(chǔ)存它們。如果晶體管最終處于“導(dǎo)通”狀態(tài)，則足夠的這些電子將溢出到石墨烯中，使其具有足夠的電荷以使其保持在“接通”狀態(tài)。而這正是晶體管將保持不變，直到電子從石墨烯中特別排出。通過(guò)這種方式，石墨烯可以充當(dāng)一位存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)一個(gè)過(guò)去操作的結(jié)果，直到器件復(fù)位。

我們需要多少個(gè)晶體管？

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作可以很好地提醒我們，與我們目前正在使用的東西相比，原子級(jí)薄材料具有獨(dú)特的性質(zhì)，并且考慮如何有效地利用這些屬性。將基本邏輯運(yùn)算所需的晶體管數(shù)量減少一半似乎是顯著降低芯片復(fù)雜性的好方法。

在某種程度上，這里所說(shuō)明的基于光的切換與此相反，因?yàn)楸仨毐３謱?duì)晶體管的訪問(wèn)以便將光泵入其中。盡管如此，可能還有一些情況是光學(xué)電路與芯片集成在一起。操作結(jié)果可以存儲(chǔ)在執(zhí)行操作的晶體管中，但是需要完全不同的編程模型來(lái)對(duì)其進(jìn)行任何操作。

由于這些存在的問(wèn)題，目前尚不清楚這些具體產(chǎn)品是否會(huì)有什么變化。但是，如果MoS2出于進(jìn)入芯片行業(yè)，你可以期待人們將尋找充分利用其能力的方法。