硅材料长期以来是半导体技术的基石。电子器件的快速发展，主要依赖于场效应晶体管（FET）的持续微缩。随着硅器件接近其物理与工艺极限，需要探索新材料。
具有原子级厚度和高载流子迁移率的二维Two-dimensional (2D)材料，提供了一种有前景的替代材料。尽管在晶圆级增长、高性能场效应晶体管和基于2D材料的电路方面，取得了重大进展，但实现互补金属氧化物半导体complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS)集成，仍然是主要挑战。
近日，宾夕法尼亚州立大学Subir Ghosh，Saptarshi Das等，在Nature上发文，基于CMOS技术，利用二维材料（这种材料厚度仅为一个原子，但与硅不同，其特性在这种尺度下仍能保持），开发出了简单操作的单指令集计算机，利用大面积n-型MoS2和p型WSe2场效应晶体管的异构集成。
通过缩放沟道长度、引入高κ栅介质、优化材料生长和器件后处理，还定制了n型和p型2D场效应晶体管的阈值电压，实现了高驱动电流，并降低了亚阈值泄漏。这使得电路能够在3V以下工作，工作频率高达25kHz（受寄生电容的限制），以及皮瓦范围内的超低功耗，以及低至约100pJ的开关能量。
最后，预测了指令集计算机的性能，并使用行业标准的SPICE兼容BSIM-Bulk模型，并将其与最先进的硅技术进行了基准测试。该模型用包含器件间变化的实验数据进行了校准。尽管还需要进一步的进展，但这项工作标志着，在微电子应用中，二维材料的重要里程碑。
基于互补二维材料，单指令集计算机。
图1:大规模n型和p型2D FET表征。
图2:2D-CMOS组合和时序电路。
图3:2D-CMOS反相器的速度、静态功耗和能耗。
图4:2D-CMOS 单指令集计算机one instruction set computer，OISC。
图5:2D-CMOS OISC架构和操作。
该项研究，利用原子级厚度的二维半导体材料，成功研发出全球首款基于互补金属氧化物半导体（CMOS）架构的二维材料单指令集计算机（OISC）
研究亮点：
异构集成创新：通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，在2英寸蓝宝石基底上实现n型二硫化钼（MoS₂）与p型二硒化钨（WSe₂）晶体管的大规模异质集成，单芯片容纳超2000个晶体管（NMOS/PMOS各1000个），创二维材料电路规模之最。
能效里程碑：优化沟道长度与高介电常数栅介质，将工作电压降至3V以下，静态功耗低至皮瓦级（中位数0.2–16 pW），开关能耗约100 pJ，媲美先进硅基CMOS。
性能潜力巨大：实测运行频率达25 kHz（受限于测试寄生电容），而经SPICE模型校准预测，若寄生电容降至1 fF，频率可跃升至5 GHz，性能逼近7纳米硅基技术。
该芯片成功执行"反向减法和借位跳转"指令，集成算术逻辑单元、存储单元及时序电路，为后硅时代低功耗电子学开辟新路径，被期刊评价为"二维材料微电子应用的重大里程碑"。
关键突破总结：
解决二维材料CMOS集成核心难题，首次实现全功能计算系统；
器件均匀性达行业标准（阈值电压偏差<0.23 V）；
为未来三维堆叠芯片及柔性电子奠定技术基础。
