RV32-WUJI: China crea el primer procesador del mundo de un solo átomo de espesor

Científicos chinos han presentado en la revista Nature los resultados de un experimento único en el campo de la microelectrónica. En laboratorio, lograron construir un procesador de 32 bits basado en la arquitectura RISC-V, sustituyendo el silicio tradicional por un nuevo material: disulfuro de molibdeno.

Este avance se enmarca en la tendencia actual de la ciencia por encontrar materiales con estructuras bidimensionales. El ejemplo más conocido es el grafeno, una lámina de átomos de carbono de un solo átomo de grosor. El disulfuro de molibdeno pertenece a la misma familia, aunque su estructura es más compleja: los átomos de azufre y molibdeno forman hexágonos, creando una capa ondulada debido a las peculiaridades de sus enlaces químicos.

A diferencia de los materiales convencionales, cuyos atributos eléctricos dependen del conjunto de átomos en una red cristalina, el disulfuro de molibdeno se comporta según el posicionamiento de los electrones en las órbitas de una sola molécula. No hay volumen físico en juego. Esta organización lo convierte en un semiconductor, mientras que su "pariente" grafeno es un excelente conductor.

Los experimentos con disulfuro de molibdeno ya tenían antecedentes: se había usado para memorias flash y sensores de luz para cámaras. Sin embargo, fue solo gracias a un reciente avance en técnicas de fabricación que se pudo producir láminas grandes del material sobre una base de zafiro, abriendo así el camino a la creación del primer procesador funcional: RV32-WUJI.

Este microchip contiene 5900 transistores, lo que le permite ejecutar el conjunto completo de instrucciones de la arquitectura RISC-V de 32 bits. Su rendimiento por ahora es limitado: realiza sumas de un bit por ciclo. Procesar dos números de 32 bits requiere 32 ciclos, y los resultados intermedios se almacenan en búferes especiales.

La creación de transistores con disulfuro de molibdeno exigió soluciones poco convencionales. En la electrónica de silicio, las propiedades del semiconductor se ajustan dopando la red cristalina con otros átomos. Pero en una capa monoatómica, esto no es viable. En el RV32-WUJI, todas las regiones semiconductoras son de tipo n (conducción electrónica) y no pueden modificarse mediante métodos tradicionales.

La solución vino de la mano de los contactos metálicos de los transistores. Tras experimentar con conductores como oro y aluminio, además de distintos materiales aislantes, los ingenieros lograron alcanzar el voltaje umbral necesario. Las combinaciones óptimas se identificaron usando algoritmos de aprendizaje automático que analizaron los resultados de múltiples muestras experimentales.

La base del circuito fue una red de inversores en modo de empobrecimiento, que convierten las señales eléctricas entrantes en sus valores opuestos. A partir de esta tecnología, el equipo creó 25 tipos de bloques lógicos, de los cuales 18 funcionaron con fiabilidad en pruebas. La frecuencia máxima del microchip quedó limitada a unos pocos kilohertzios, el tiempo que tarda una señal en recorrer la ruta más larga del circuito.

Las cifras de producción reflejan la alta fiabilidad de la tecnología: algunos componentes alcanzaron una tasa de éxito del 99,9%, y los chips completos, un 99,8%. Sin embargo, los bloques funcionales más complejos fueron mucho más exigentes. Los registros de 8 bits —que almacenan datos temporalmente— funcionaron correctamente en el 71% de los casos, mientras que solo el 7% de los registros de 64 bits (con 1152 transistores) fueron fabricados con éxito.

A pesar de su modesta velocidad, RV32-WUJI impresiona por la complejidad de su arquitectura. El chip incluye componentes avanzados como el decodificador de instrucciones RISC-V, que traduce órdenes de máquina en señales de control. Según sus creadores, se trata de uno de los dispositivos electrónicos más sofisticados jamás construidos con materiales alternativos.

Es poco probable que el disulfuro de molibdeno sustituya al silicio en la producción masiva a corto plazo. Sin embargo, podría encontrar su nicho en módulos de computación ultrabaja potencia, como sensores sencillos. A medida que la tecnología de fabricación avance, el uso de estos procesadores podría ampliarse significativamente.