顶刊：“一套人马两块牌”，复旦发明芯片基础器件全新结构！

2019 年 5 月 31 日 材料科学与工程

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工作中精简冗余，“一套人马、两块牌子”很常见。如果把这一思路用于芯片基础器件开发，将会怎样？在摩尔定律所预言的元器件发展速度越来越接近瓶颈之际，中国科学家复旦大学周鹏、张卫团队发明让单晶体管“一个人干两个人的活”的逻辑结构全新原理。在新结构下，不仅晶体管面积可缩小50%，存储计算的同步性也将进一步提升。若成功产业化，对芯片基础器件的提升将具有意义。27日晚，相关研究成果在线发表于《自然·纳米技术》。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-019-0462-6

随着晶体管不断缩小特征尺寸，集成电路的性能得以持续提升。然而在超小器件尺寸下，硅材料的物理极限导致了功耗的大幅提升，难以进一步持续减小晶体管的特征尺寸。通过引入层状半导体，并依据其特性设计新型层状晶体管结构，发现可以通过单个晶体管实现逻辑门（与门、或门），而同样的逻辑门在传统结构中则需要两个晶体管。这一新型晶体管结构极大的提高了晶体管的面积利用率，可以促进晶体管的特征尺寸持续缩小。

一个人怎样干两个人的活？

目前，集成电路已越来越紧密地和现代社会的生产生活联系在一起，然而随着晶体管物理尺寸的不断微缩，短沟道效应等负面效应使得漏电流不可避免，功耗大、集成度提高困难、不确定性增加，限制了集成电路的发展。

针对这些问题，复旦大学微电子学院教授周鹏、张卫、曾晓洋携团队与计算机学院教授姜育刚展开合作，发现了新材料在集成电路中的更优应用方案，解决了如何用新材料、新原理和新架构继续延展摩尔定律的难题，实现了电路逻辑结构从无到有的原始创新。

“我们这项研究工作的核心内容是利用原子晶体硫化钼做出了新结构晶体管。在此基础上，团队发明了单晶体管逻辑结构的新原理。新原理、新结构对原子晶体材料具有普适性。”复旦大学微电子学院教授周鹏解释。

据介绍，研究团队采用与硅工艺兼容的双栅作为逻辑输入端，通过对创新引入的双导电通道加以独立控制，在单晶体管上实现了逻辑运算的“与”和“或”。

“与”和“或”是构成计算系统的最基本逻辑单元。相比需要通过两个独立晶体管才能实现逻辑功能的传统体材料体系，该研究工作在逻辑门水平上缩小了50%的面积，有效降低了成本。“原先需要两个独立的晶体管才能实现逻辑功能，现在只需要一个晶体管，相当于一个人干两个人的活，这是研究工作的变革性之一。”周鹏补充。

同时研究中还发现了可层数调控的晶体管逻辑特性，并提供光切换逻辑功能的选项。周鹏解释，“简单来说，可光控逻辑相当于我们给逻辑做了一个光控开关，比如说有光照射时可能是‘或’逻辑，那么我们撤掉光线的话它就会切换成‘与’逻辑。当然反过来也是可以的。”

研究证明，该逻辑结构对原子晶体材料具有通用性，不仅适用于研究中已经验证的硫化钼，其它具有原子晶体属性的材料均可利用此架构实现可调控的逻辑功能。

存算一体突破现有架构限制

据介绍，新的逻辑架构可以通过器件级存算一体路径破解数据传输阻塞瓶颈问题，突破了现有逻辑系统中冯诺依曼架构的限制。对存算一体、原位存储，周鹏打了个比方，“原先我们计算和存储数据需要两个房间跑，而现在所有数据的计算和存储都在同一个房间解决。”

在冯诺依曼架构下，计算和存储是相互分离的。“就好比我们现在有两个房间，房间A专门用来计算数据，房间B用来存储数据,数据在经过计算之后要通过电子借由导线从房间A传输到房间B，这条导线就相当于连接两个房间的走廊。”周鹏解释道。随着技术的发展，数据的计算速度越来越快，与此同时存储速度和传输速度却未能得到同步提升。冯诺依曼架构的限制就主要体现在计算速度、存储速度和传输速度的不相匹配。

“我们假设，房间A已经打包了100份数据，却只有几十份数据能被即时传输出去；又或是房间A已经打包完100份，房间B才刚刚开始存储接收到的前几十份数据，这两种情况都会对数据的处理带来很大限制。”周鹏补充。

存算一体、原位存储的物理架构突破了冯诺依曼架构的限制。在这一架构中，只需要“一个房间”就可实现计算和存储的功能。“房间”内分层工作，第一层负责计算，第二层负责存储，两个表层在垂直空间上形成堆叠。周鹏打比方：“就像两张纸摞在一起，它们在空间上是堆叠着的，数据的计算和存储只是在原地被相对抬高了一些而已。”计算层的沟道电流可以影响到存储层，从而摆脱传输环节，实现原位存储。

充分利用新材料特性独辟蹊径

使用钢铁制造轮船、使用硅晶体制造芯片，人类在漫长历史中使用材料的本征属性来改造自然界。但周鹏发现，迄今的原子晶体电子器件研究工作仍然是用新材料模仿旧架构，无法真正发挥其优异的物理本质特性。

为走出窠臼，在着手该项研究的过程中，从材料本质优势出发设计新器件成为了团队的重要出发点。最终，正是超薄、表面无悬挂键等硫化钼特性的充分发挥，帮助其另辟蹊径地实现了集成电路逻辑结构上的革新，开拓了二维材料集成电路应用的新世界。

1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔提出摩尔定律，意指集成电路上可容纳的元器件数量每隔18至24个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。根据这一速度计算，过去是每5年增长10倍，每10年增长100倍。而如今每年只能增长几个百分点，每10年可能只有2倍。

在这一业内关注的“后摩尔时代”，降低集成电路成本的尝试。单晶体管逻辑结构如果得以继续推进、应用于规模化生产，将推动集成电路往更轻、更快、更小、功耗更低的方向发展，促进集成电路产业的发展。“到那时，人们使用的手机、电脑等设备可能将更轻便、待机时间更长。”周鹏说。目前，团队正在探讨如何进一步突破冯诺依曼架构的限制。

课题组带头人张卫教授说，“现在普遍应用的u盘，最早其器件原理由贝尔实验室在1967年提出，大规模产业化是在2000年左右，在产业化道路上，都有一个周期，或者说从创新到应用的‘延后期’，我们期待着这次逻辑结构全新原理能够尽快服务于产业，也有耐心踏实走好。”（来源：上观新闻，作者：彭德倩肖暖暖）