Tradycyjne procesory oparte na krzemie zaczynają uderzać w ścianę praw fizyki. Gdy tranzystory stają się zbyt małe, pojawia się zjawisko tzw. tunelowania kwantowego – prąd zaczyna „wyciekać” przez zbyt cienkie bariery, co prowadzi do przegrzewania się układów i błędów w obliczeniach. Aby zejść poniżej bariery kilku nanometrów, inżynierowie musieli porzucić klasyczny krzem i poszukać zupełnie nowych materiałów oraz konstrukcji.
2D i grafen: Nowa recepta na sukces
Chińscy badacze postawili na materiały dwuwymiarowe (2D), które mają grubość zaledwie jednego atomu. Sercem rekordowego tranzystora jest dwusiarczek molibdenu (MoS2), który pełni rolę kanału dla prądu. Jednak prawdziwym sekretem jest sama „bramka” – element kontrolujący przepływ elektronów (włączający i wyłączający tranzystor).
Czytaj także: Elektronika jest coraz mniejsza, ale zbliżamy się do ściany. Jest pomysł, jak ją ominąć
Zamiast tradycyjnego metalu, naukowcy wykorzystali krawędź warstwy grafenu. Ponieważ grafen jest płaski, jego boczna krawędź jest niewiarygodnie cienka. To właśnie dzięki takiemu podejściu udało się uzyskać efektywną długość bramki na poziomie 0,34 nm, co odpowiada grubości zaledwie jednej warstwy atomów węgla.
Architektura pionowa – sprytny trik inżynieryjny
Zbudowanie tak małego elementu w poziomie byłoby ekstremalnie trudne przy użyciu obecnych metod litograficznych. Zespół z Tsinghua zastosował więc architekturę pionową. Wykorzystali schodkową strukturę, w której warstwy materiałów są nakładane jedna na drugą. Dzięki temu krawędź grafenu mogła precyzyjnie kontrolować przepływ prądu w warstwie dwusiarczku molibdenu.
To rozwiązanie nie tylko pozwoliło na bicie rekordów rozmiaru, ale też zapewnia doskonałą kontrolę nad elektronami, niemal całkowicie eliminując wspomniane wcześniej wycieki prądu, które nękają nowoczesne chipy krzemowe.
Paliwo dla sztucznej inteligencji
Dlaczego to odkrycie jest tak ważne właśnie teraz? Trenowanie i obsługa modeli AI, takich jak GPT czy nowsze systemy z 2026 roku, wymaga niewyobrażalnej mocy obliczeniowej. Obecne centra danych zużywają tyle prądu, co całe miasta.
Tranzystory oparte na materiałach 2D i grafenie obiecują:
- Drastyczne obniżenie zużycia energii: Dzięki eliminacji strat ciepła urządzenia mogą pracować znacznie dłużej na baterii.
- Większą gęstość upakowania: Możliwość upchnięcia miliardów dodatkowych tranzystorów w jednym chipie pozwoli na tworzenie bardziej zaawansowanych neuronowych jednostek przetwarzających (NPU).
- Mniejsze nagrzewanie: Procesory przyszłości będą mogły być szybsze bez ryzyka stopienia układów chłodzenia.
Czytaj także: Geometria czasoprzestrzeni nie jest gładka. Tajemnice kwantowej teorii grawitacji
Kiedy trafi to do naszych smartfonów?
Choć wynik z Chin jest imponujący, droga od laboratorium do fabryki jest jeszcze daleka. Głównym wyzwaniem pozostaje masowa produkcja materiałów 2D o tak wysokiej jakości na dużą skalę. Obecne linie produkcyjne w firmach takich jak TSMC czy Intel są przystosowane do pracy z krzemem. Przejście na grafen i MoS2 będzie wymagało miliardowych inwestycji w nową infrastrukturę.
Mimo to, chiński przełom udowadnia, że era krzemu ma swojego następcę, a przyszłość elektroniki będzie „płaska” (oparta na 2D) i mniejsza, niż kiedykolwiek mogliśmy sobie wymarzyć.