【產(chǎn)通社，5月31日訊】復(fù)旦大學(xué)（Fudan University）官網(wǎng)消息，“讓一個人干兩個人的活，原本在兩個辦公室里做的事在一間辦公室里完成，這樣是不是提升了效率、節(jié)省了成本？這種思路放在集成電路中也是一樣的�！痹诮忉�5月27日發(fā)表在《自然—納米技術(shù)》上的新成果時，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院教授周鵬這樣說。

集成電路和人們的生產(chǎn)、生活聯(lián)系得越來越緊密，然而隨著晶體管的不斷微縮，短溝道效應(yīng)等負(fù)面效應(yīng)增加，功耗大、集成度難提高、不確定性增加，限制了集成電路的發(fā)展。在這項(xiàng)新研究中，周鵬與復(fù)旦大學(xué)教授張衛(wèi)、曾曉洋和姜育剛等合作，發(fā)現(xiàn)新材料硫化鉬在集成電路中的更優(yōu)應(yīng)用方案，解決了如何用新材料、新原理和新架構(gòu)繼續(xù)延續(xù)摩爾定律的難題，實(shí)現(xiàn)了電路邏輯結(jié)構(gòu)從無到有的創(chuàng)新。
“二維材料研究的時間比較長，但利用單個晶體管尚未實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算的功能。”中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員狄增峰說。他表示，這項(xiàng)研究創(chuàng)新性地在一個晶體管上實(shí)現(xiàn)了邏輯運(yùn)算的功能，是一個比較大的突破。


邏輯運(yùn)算“以一當(dāng)二”


“我們這項(xiàng)研究工作的核心內(nèi)容是利用原子晶體硫化鉬做出了新結(jié)構(gòu)晶體管。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了單晶體管邏輯結(jié)構(gòu)的新原理。新結(jié)構(gòu)和原理對原子晶體材料具有普適性�！蔽恼峦ㄓ嵶髡咧荠i向《中國科學(xué)報》解釋說。

“與”和“或”是構(gòu)成計(jì)算系統(tǒng)的最基本邏輯單元。傳統(tǒng)材料體系需要通過兩個獨(dú)立的晶體管才能實(shí)現(xiàn)邏輯功能。周鵬表示，這項(xiàng)研究的變革性之一是在單晶體管上實(shí)現(xiàn)了邏輯運(yùn)算的“與”和“或”，在邏輯門水平上縮小了50%的面積，有效降低了成本。

同時，研究中還發(fā)現(xiàn)了可層數(shù)調(diào)控的晶體管邏輯特性，并提供了光切換邏輯功能的選項(xiàng)。周鵬解釋，“簡單來說，可光控邏輯相當(dāng)于我們給邏輯做了一個光控開關(guān)，比如說有光照射時可能是‘或’邏輯，那么我們撤掉光線的話它就會切換成‘與’邏輯。當(dāng)然反過來也可以。”

文章第一作者、復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院博士生劉春森告訴記者，研究證明該邏輯結(jié)構(gòu)對原子晶體材料具有通用性，不僅適用于研究中已經(jīng)驗(yàn)證的硫化鉬，其他具有原子晶體屬性的材料均可利用此架構(gòu)實(shí)現(xiàn)可調(diào)控的邏輯功能。


存算一體突破現(xiàn)有架構(gòu)


新的邏輯架構(gòu)可以通過器件級存算一體路徑，突破數(shù)據(jù)傳輸阻塞的瓶頸。對存算一體、原位存儲，周鵬打了個比方，“原先我們計(jì)算和存儲數(shù)據(jù)需要兩個房間跑，而現(xiàn)在所有數(shù)據(jù)的計(jì)算和存儲都在同一個房間解決”。

在馮·諾依曼結(jié)構(gòu)下，計(jì)算和存儲是相互分離的。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)的計(jì)算速度越來越快，與此同時，存儲速度和傳輸速度卻未能同步提升，導(dǎo)致計(jì)算速度和存儲、傳輸速度不匹配。
存算一體、原位存儲的物理架構(gòu)突破了馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的限制，只需要“一個房間”就可實(shí)現(xiàn)計(jì)算和存儲的功能�！胺块g”內(nèi)分層工作，第一層負(fù)責(zé)計(jì)算，第二層負(fù)責(zé)存儲，兩個表層在垂直空間上形成堆疊。

周鵬打比方說：“就像兩張紙摞在一起，它們在空間上是堆疊著的，數(shù)據(jù)的計(jì)算和存儲只是在原地被相對抬高了一些而已。”計(jì)算層的溝道電流可以影響到存儲層，從而擺脫傳輸環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)原位存儲。


打開集成電路應(yīng)用新大門


迄今為止，集成電路中大規(guī)模使用的半導(dǎo)體材料仍然以硅為基礎(chǔ)�！坝捎诙喾矫娴脑�，我國在硅基集成電路方面與國外大約有兩三個技術(shù)代的差距，大約需要三至五年的時間追趕�！钡以龇甯嬖V《中國科學(xué)報》。

狄增峰表示，自二維材料石墨烯研究在2010年獲得諾貝爾獎以來，國內(nèi)外該領(lǐng)域相關(guān)研究基本上是同步的，某些方面國內(nèi)還超過國外。正因如此，“未來，我們在硅基集成電路方面落后的局面有望改變，基于二維材料的集成電路技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)與國際同步發(fā)展，產(chǎn)生重大突破�！�

盡管二維材料的研究熱度已經(jīng)持續(xù)了較長時間，但在此之前原子晶體電子器件研究仍然是用新材料模仿舊架構(gòu)，無法真正發(fā)揮其優(yōu)異的物理本質(zhì)特性。此次，合作團(tuán)隊(duì)利用硫化鉬超薄、表面無懸掛鍵等特性，另辟蹊徑地實(shí)現(xiàn)了集成電路邏輯結(jié)構(gòu)上的革新，開拓了二維材料集成電路應(yīng)用的新世界。

“研究利用二維材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，使晶體管顯示出高面積效率和富有創(chuàng)造性的奇特功能，如光敏邏輯和原位存儲。下一代二維半導(dǎo)體集成電路的特殊應(yīng)用概念將為計(jì)算和存儲打開一扇新的大門�！薄蹲匀弧{米技術(shù)》審稿人在評述中如是說。

隨著芯片微縮至納米級，業(yè)界認(rèn)為摩爾定律已趨極限。當(dāng)前，科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界都在不斷嘗試延續(xù)摩爾定律、降低集成電路成本。面對這一技術(shù)極限以及我國對集成電路的重大需求，周鵬表示，單晶體管邏輯結(jié)構(gòu)如果得以繼續(xù)推進(jìn)、應(yīng)用于規(guī)�；a(chǎn)，將推動集成電路往更輕、更快、更小、功耗更低的方向發(fā)展，促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

相關(guān)論文信息：DOI:10.1038/s41565-019-0462-6。查詢進(jìn)一步信息，請?jiān)L問官方網(wǎng)站http://news.fudan.edu.cn/2019/0530/47953.html
。（Lisa WU, 365PR Newswire）    （完）