隨著碳納米管和石墨烯的發展，科學家們獲得了一種全新的材料集合：片材和管材，其厚度大致與單個原子一致。這些材料有望構建尺寸小于目前通過任何其他工藝的電子器件，并通過使用不同起始材料來調節特性。

到目前為止，大部分研究集中在以往設備材料上的微小創新。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。結果表明新的材料僅需硅晶體管數量的一半就可執行基本邏輯，同時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在器件本身中。

OR還是AND？

計算機指令可以簡化為一系列簡單的邏輯運算。其中，最簡單的事AND和OR。只有當兩個輸入都是1時，AND才會產生值1;如果兩個輸入中的任何一個為1，則執行此操作。

但是這些邏輯運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信號源輸入，而不是這里需要的兩個輸入。結果，這些操作需要處理器上的兩個晶體管。

然而，由原子級薄材料制成的晶體管可以具有完全不同的結構。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是半導體；與硅不同，在單層材料的上方和下方放置輸入門相對容易。這允許圖層從兩個不同的源獲取輸入，使其與邏輯操作的輸入直接匹配。

更好的是，研究人員發現他們可以制作極其相似的設備，執行不同的邏輯操作。MoS2的各個層可能是原子級薄的，但可以將多個層堆疊在一起。最初，只有幾張紙堆疊在一起，MoS2形成一個單獨的半導體層，只有當它上面和下面的柵極處于“開啟”狀態時才會切換到導通。這使得與AND功能完美匹配。

但是繼續添加層，厚度最終將達到上下門可以獨立控制離它們最近的MoS2片的傳導的點。作者將其與同一設備上的兩個“頻道”進行了比較。如果這些通道中的任何一個被設置為“on”，那么一些電流將流過該設備，使其全局狀態“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，則晶體管將表現為OR門。低于該厚度，它將執行AND操作。

光和記憶

等等，還有更多！一個實例是，可以將AND設備切換為使用正確波長的光執行OR運算的設備。其要點是輸入門通過激發MoS2內的電子進入有助于傳輸電流的狀態。在薄的MoS2層中，兩個輸入都必須將電子推入導帶以獲得任何電流流動。這給了我們一個AND功能。

但是適當波長的光也可以將電子推入導帶。結果，光降低了由輸入引起的導電電子的要求。因此，只需要兩個輸入門中的一個處于“導通”狀態，晶體管就可以導通。因此，將光照射在薄的MoS2薄片上就足以將AND器件轉換成OR器件。

研究人員也沒有就此止步。為了最后的演示，他們在MoS2旁邊的一層石墨烯中滑動。石墨烯能夠捕獲一些導電電子并儲存它們。如果晶體管最終處于“導通”狀態，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。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。通過這種方式，石墨烯可以充當一位存儲器，存儲一個過去操作的結果，直到器件復位。

我們需要多少個晶體管？

總的來說，這項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，原子級薄材料具有獨特的性質，并且考慮如何有效地利用這些屬性。將基本邏輯運算所需的晶體管數量減少一半似乎是顯著降低芯片復雜性的好方法。

在某種程度上，這里所說明的基于光的切換與此相反，因為必須保持對晶體管的訪問以便將光泵入其中。盡管如此，可能還有一些情況是光學電路與芯片集成在一起。操作結果可以存儲在執行操作的晶體管中，但是需要完全不同的編程模型來對其進行任何操作。

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