在全球半导体技术不断迈向极限的背景下，宾夕法尼亚州立大学（Penn State University）的一支研究团队引领了一场技术革命。他们成功设计并制造出第一款完全由二维材料组成的互补金属氧化物半导体（CMOS）计算机。这种新型计算机不仅摒弃了传统以硅为核心的制造材料，还通过采用硫化钼和硒化钨构建了高性能的n型与p型晶体管，为电子产业带来了全新的发展方向。宾夕法尼亚州立大学工程科学教授Saptarshi Das带领的团队在近期发表的研究论文中详细介绍了他们的二维单指令集计算机（OISC）设计和实验成果，彰显了二维材料在电子计算领域的巨大潜力。OISC是一种极简运算模型，依靠单一指令完成所有计算任务，为研发新型计算架构提供了灵活的设计蓝图。尽管当前这款二维计算机的时钟频率仅为25千赫兹，远低于商用处理器，但Das教授公开表示，这一成果更像是未来“后硅时代”计算平台的样板，具备在特定应用领域发挥优势的潜力，特别是在边缘AI运算、神经形态系统及柔性电子产品领域。
二维CMOS计算机的材料基础由硫化钼和硒化钨构成，它们分别担负着n型和p型晶体管的功能。此配对不仅具备互补的电学性质，更拥有相对较高的电子迁移率，同时支持通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术实现可扩展的材料生长。这意味着在工业制造流程中具备良好的应用潜力，尤其是当二维晶体管的通道仅有一个原子厚时，电子传输效率得以大幅提升。CMOS电路的设计核心在于同时运作n型和p型晶体管，实现能效和开关性能的平衡。然而，在二维材料领域，要实现完美互补的电性性能及制造工艺的统一，长期以来一直是技术难题。此次Penn State团队的成功，突破了这一瓶颈，首次实现了基于二维材料的完整CMOS计算机系统。
尽管目前的操作频率受限于寄生电容，这种电容会在电路元件间产生不必要的电荷积累，导致开关速度下降，研究人员正在积极探索优化设计，减少寄生效应的方法。根据他们的仿真模型，一旦解决这一问题，二维CMOS逻辑门的处理延迟有望缩短到仅200皮秒，理论运行频率可提升至接近5吉赫兹，足以媲美传统的硅基芯片性能。面对未来的应用和规模化问题，Das教授对二维计算机的发展潜力保持乐观态度。目前团队已在2英寸的蓝宝石衬底上制造了超过两千个功能性晶体管，功能良品率达到95%，显示了较高的制造可控性和工艺稳定性。尽管部分工序如层间对齐和转移尚需人工介入，但大多数制程已适配现有的半导体行业设备，这意味着未来实现自动化及大规模制造并非不可逾越的障碍。此外，该系统在环境常温条件下表现出稳定的电路功能，具备相当的耐久性。
后续研究将聚焦于长期可靠性测试，包括偏压应力、温度循环及辐射耐受性，为未来实际应用奠定坚实基础。研究团队还致力于拓展指令集规模和内存容量，从而实现更为复杂和强大的处理能力，同时缩减晶体管门长、引入新型栅介质材料，以进一步提升性能和效率。二维材料计算机的出现无疑为半导体工业注入了新鲜活力。在摩尔定律逐渐失效、传统硅基技术难以继续缩小晶体管尺寸或提高频率的时代转折点上，材料创新成为推动未来电子信息技术突破的关键。二维材料因其极致的厚度与优异的电子物理性质，引领了一股全新的科技浪潮。尽管距离真正进入市场和大规模应用还有一段距离，但宾夕法尼亚州立大学团队的这一开创性工作无疑点燃了学界和产业界的热情，激发了探索无机二维半导体在计算机硬件中实际应用的信心。
展望未来，二维CMOS计算机有望在边缘计算设备、柔性电子产品、智能传感器和神经形态芯片等多种专业领域发挥独特优势，为人工智能和物联网技术带来可持续、低功耗的硬件支撑。尽管传统硅基技术依然占据主流市场，但突破材料限制、提升性能的新方向正逐渐清晰。二维材料计算机的成功实现不仅丰富了硬件设计范式，也标志着人类计算机技术正在迈向一个多维、更灵活的新时代。随着技术的不断成熟和工业化进程的推进，二维无硅计算机必将成为半导体领域不可忽视的重要力量，助力未来信息社会的创新发展。
