La sfida dei semiconduttori MoS2 nella rivoluzione dei processori di nuova generazione segna un importante passo avanti nella ricerca di alternative al silicio nell'elettronica avanzata. A differenza dei tradizionali transistor in silicio, dove la tensione di soglia può essere regolata attraverso il drogaggio, i dispositivi basati sul disolfuro di molibdeno presentano limitazioni intrinseche che hanno richiesto approcci innovativi. I ricercatori hanno dovuto sviluppare soluzioni alternative utilizzando differenti materiali conduttivi - alluminio e oro - e modificando strategicamente le interconnessioni per compensare l'impossibilità di alterare le proprietà della singola molecola semiconduttrice.
La realizzazione del processore ha richiesto un approccio metodico, dove l'intelligenza artificiale ha giocato un ruolo determinante. I ricercatori hanno sperimentato numerose configurazioni di dispositivi individuali, affidandosi al machine learning per identificare la combinazione ottimale di collegamenti e materiali che garantisse le prestazioni necessarie per ogni transistor del circuito.
A livello architetturale, il team ha sviluppato un set completo di 25 porte logiche, delle quali 18 sono risultate funzionali e sono state implementate nel chip finale. La determinazione del ritardo lungo il percorso più critico del processore ha imposto una frequenza di clock nell'ordine dei kilohertz, significativamente inferiore rispetto ai gigahertz dei processori al silicio contemporanei.
Nonostante le sfide tecnologiche, la resa produttiva ha raggiunto livelli impressionanti: oltre il 99,9% a livello di transistor e 99,8% a livello di chip completo. Questi numeri segnalano la maturità sorprendente di questa tecnologia emergente, pur con alcune significative eccezioni.
Particolarmente problematica si è rivelata la realizzazione dei registri: i registri a 8 bit hanno mostrato una resa del 71%, mentre per quelli a 64 bit - che richiedono 1.152 transistor - la resa è crollata drasticamente al 7%. Questo evidenzia come la scalabilità rappresenti ancora una delle barriere più significative per questa tecnologia.
Il processore finale, denominato RV32-WUJI, integra 5.900 transistor individuali ed è in grado di implementare l'intero set di istruzioni RISC-V a 32 bit, compresi elementi sofisticati come il decodificatore di istruzioni. Per mantenere la complessità sotto controllo, alcune operazioni sono state semplificate: ad esempio, l'addizione di due numeri a 32 bit viene eseguita un bit alla volta, richiedendo 32 cicli di clock e buffer dedicati per memorizzare i risultati intermedi.
Gli autori dello studio definiscono questa realizzazione come uno dei più avanzati esempi di hardware "beyond silicon" mai implementati. Non si tratta di una tecnologia destinata a sostituire il silicio nell'immediato, ma piuttosto di una soluzione potenzialmente ideale per applicazioni di nicchia, come l'elaborazione a bassissimo consumo energetico per sensori semplici. Tuttavia, il continuo avanzamento della tecnologia potrebbe espandere significativamente il suo ambito di applicazione in futuro, aprendo scenari finora inesplorati nell'elettronica computazionale.
