單晶體管邏輯結構示意圖

　　中國科學報記者：馮麗妃黃辛

　　“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、節省了成本？這種思路放在集成電路中也是一樣的。”在解釋 5 月 27 日發表在《自然—納米技術》上的新成果時，復旦大學微電子學院教授周鵬這樣說。

　　集成電路和人們的生產、生活聯系得越來越緊密，然而隨著晶體管的不斷微縮，短溝道效應等負面效應增加，功耗大、集成度難提高、不確定性增加，限制了集成電路的發展。在這項新研究中，周鵬與復旦大學教授張衛、曾曉洋和姜育剛等合作，發現新材料硫化鉬在集成電路中的更優應用方案，解決了如何用新材料、新原理和新架構繼續延續摩爾定律的難題，實現了電路邏輯結構從無到有的創新。

　　“二維材料研究的時間比較長，但利用單個晶體管尚未實現邏輯運算的功能。”中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員狄增峰說。他表示，這項研究創新性地在一個晶體管上實現了邏輯運算的功能，是一個比較大的突破。

　　邏輯運算“以一當二”

　　“我們這項研究工作的核心內容是利用原子晶體硫化鉬做出了新結構晶體管。在此基礎上，團隊發現了單晶體管邏輯結構的新原理。新結構和原理對原子晶體材料具有普適性。”文章通訊作者周鵬向《中國科學報》解釋說。

　　“與”和“或”是構成計算系統的最基本邏輯單元。傳統材料體系需要通過兩個獨立的晶體管才能實現邏輯功能。周鵬表示，這項研究的變革性之一是在單晶體管上實現了邏輯運算的“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，研究中還發現了可層數調控的晶體管邏輯特性，并提供了光切換邏輯功能的選項。周鵬解釋，“簡單來說，可光控邏輯相當于我們給邏輯做了一個光控開關，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。當然反過來也可以。”

　　文章第一作者、復旦大學微電子學院博士生劉春森告訴記者，研究證明該邏輯結構對原子晶體材料具有通用性，不僅適用于研究中已經驗證的硫化鉬，其他具有原子晶體屬性的材料均可利用此架構實現可調控的邏輯功能。

　　存算一體突破現有架構

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

　　在馮·諾依曼結構下，計算和存儲是相互分離的。隨著技術的發展，數據的計算速度越來越快，與此同時，存儲速度和傳輸速度卻未能同步提升，導致計算速度和存儲、傳輸速度不匹配。

　　存算一體、原位存儲的物理架構突破了馮·諾依曼結構的限制，只需要“一個房間”就可實現計算和存儲的功能。“房間”內分層工作，第一層負責計算，第二層負責存儲，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，數據的計算和存儲只是在原地被相對抬高了一些而已。”計算層的溝道電流可以影響到存儲層，從而擺脫傳輸環節，實現原位存儲。

　　打開集成電路應用新大門

　　迄今為止，集成電路中大規模使用的半導體材料仍然以硅為基礎。“由于多方面的原因，我國在硅基集成電路方面與國外大約有兩三個技術代的差距，大約需要三至五年的時間追趕。”狄增峰告訴《中國科學報》。

　　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，國內外該領域相關研究基本上是同步的，某些方面國內還超過國外。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能夠實現與國際同步發展，產生重大突破。”

　　盡管二維材料的研究熱度已經持續了較長時間，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，無法真正發揮其優異的物理本質特性。此次，合作團隊利用硫化鉬超薄、表面無懸掛鍵等特性，另辟蹊徑地實現了集成電路邏輯結構上的革新，開拓了二維材料集成電路應用的新世界。

　　“研究利用二維材料的獨特結構，使晶體管顯示出高面積效率和富有創造性的奇特功能，如光敏邏輯和原位存儲。下一代二維半導體集成電路的特殊應用概念將為計算和存儲打開一扇新的大門。”《自然—納米技術》審稿人在評述中如是說。

　　隨著芯片微縮至納米級，業界認為摩爾定律已趨極限。當前，科學界和產業界都在不斷嘗試延續摩爾定律、降低集成電路成本。面對這一技術極限以及我國對集成電路的重大需求，周鵬表示，單晶體管邏輯結構如果得以繼續推進、應用于規模化生產，將推動集成電路往更輕、更快、更小、功耗更低的方向發展，促進集成電路產業的發展。“到那時，人們使用的手機、電腦等設備可能更輕便、待機時間更長。”周鵬補充說。

　　相關論文信息：

　　DOI:10.1038/s41565-019-0462-6

總結

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