隨著晶體管不斷縮小特征尺寸，集成電路的性能得以持續(xù)提升。然而在超小器件尺寸下，硅材料的物理極限導致了功耗的大幅提升，難以進一步持續(xù)減小晶體管的特征尺寸。

通過引入層狀半導體，并依據其特性設計新型層狀晶體管結構，發(fā)現可以通過單個晶體管實現邏輯門（與門、或門），而同樣的邏輯門在傳統(tǒng)結構中則需要兩個晶體管。

這一新型晶體管結構極大的提高了晶體管的面積利用率，可以促進晶體管的特征尺寸持續(xù)縮小。

讓一個人干兩個人的活，所有的事在一個辦公室里處理完成，這樣是不是大大提升了效率，節(jié)省了成本？這種思路放在集成電路中也是一樣的。

目前，集成電路已越來越緊密地和現代社會的生產生活聯系在一起，但是，隨著晶體管物理尺寸的不斷微縮，短溝道效應等負面效應使得漏電流不可避免，功耗大、集成度提高困難、不確定性增加，限制了集成電路的發(fā)展。

針對這些問題，復旦大學微電子學院教授周鵬、張衛(wèi)、曾曉洋攜團隊與計算機學院教授姜育剛展開合作，發(fā)現了新材料在集成電路中的更優(yōu)應用方案，解決了如何用新材料、新原理和新架構繼續(xù)延展摩爾定律的難題，實現了電路邏輯結構從無到有的原始創(chuàng)新。

5月27日正值復旦大學114周年校慶日，相關成果以《小尺寸晶體管架構在可光控邏輯和原位存儲器中的應用》（“Small footprint transistor architecture for photo-switching logic and in-situ memory”）為題在線發(fā)表于《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology）。

單晶體管邏輯結構示意圖

“一個人干兩人活”，提供“光控開關”切換選項

“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(fā)明了單晶體管邏輯結構的新原理。新原理、新結構對原子晶體材料具有普適性?！敝荠i解釋道。

據介紹，研究團隊采用與硅工藝兼容的雙柵作為邏輯輸入端，通過對創(chuàng)新引入的雙導電通道加以獨立控制，在單晶體管上實現了邏輯運算的“與”和“或”。

“與”和“或”是構成計算系統(tǒng)的最基本邏輯單元。

相比需要通過兩個獨立晶體管才能實現邏輯功能的傳統(tǒng)體材料體系，該研究工作在邏輯門水平上縮小了50%的面積，有效降低了成本。“原先需要兩個獨立的晶體管才能實現邏輯功能，現在只需要一個晶體管，相當于一個人干兩個人的活，這是研究工作的變革性之一?！敝荠i補充。

同時研究中還發(fā)現了可層數調控的晶體管邏輯特性，并提供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。當然反過來也是可以的?！?/p>

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，其它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。

通過進一步研究，發(fā)現該層狀晶體管不但可以實現單一的邏輯門，而且可以通過外界的光照條件和溝道材料的厚度調控邏輯門的種類。

現有的實驗數據已經證明了，硫化鉬溝道的厚度在大于4nm時，晶體管具備“或門”特性，而當溝道厚度減小到4nm以下時，可以通過光照條件在“與”門和“或”門之間自由切換。

這表明層狀晶體管結構除了在面積利用率上有較大優(yōu)勢外，還具備更為豐富可控的特性。

“房間”合二為一，存算一體突破現有架構限制

新的邏輯架構可以通過器件級存算一體路徑破解數據傳輸阻塞瓶頸問題，突破了現有邏輯系統(tǒng)中馮諾依曼架構的限制。

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·諾依曼架構下，計算和存儲是相互分離的?！熬秃帽任覀儸F在有兩個房間，房間A專門用來計算數據，房間B用來存儲數據，數據在經過計算之后要通過電子借由導線從房間A傳輸到房間B，這條導線就相當于連接兩個房間的走廊?！敝荠i解釋道。隨著技術的發(fā)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得到同步提升。馮諾依曼架構的限制就主要體現在計算速度、存儲速度和傳輸速度的不相匹配。

“我們假設，房間A已經打包了100份數據，卻只有幾十份數據能被即時傳輸出去；又或是房間A已經打包完100份，房間B才剛剛開始存儲接收到的前幾十份數據，這兩種情況都會對數據的處理帶來很大限制?！敝荠i補充。

存算一體、原位存儲的物理架構突破了馮諾依曼架構的限制。在這一架構中，只需要“一個房間”就可實現計算和存儲的功能?！胺块g”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：“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?！庇嬎銓拥臏系?a href="http://www.makelele.cn/tags/電流/" target="_blank">電流可以影響到存儲層，從而擺脫傳輸環(huán)節(jié)，實現原位存儲。

充分利用新材料特性，獨辟蹊徑繼續(xù)延展摩爾定律

使用鋼鐵制造輪船、使用硅晶體制造芯片，人類在漫長歷史中使用材料的本征屬性來改造自然界。但周鵬發(fā)現，迄今的原子晶體電子器件研究工作仍然是用新材料模仿舊架構，無法真正發(fā)揮其優(yōu)異的物理本質特性。

為走出窠臼，在著手該項研究的過程中，從材料本質優(yōu)勢出發(fā)設計新器件成為了團隊的重要出發(fā)點。最終，正是超薄、表面無懸掛鍵等硫化鉬特性的充分發(fā)揮，幫助其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。

據周鵬介紹，團隊對該工作的研究興趣源自于目前國家發(fā)展對集成電路的重大需求，以及學界業(yè)界對延展摩爾定律（英特爾聯合創(chuàng)始人戈登·摩爾曾提出集成電路上可容納的元器件的數量每隔18至24個月就會增加一倍，性能也將提升一倍）、降低集成電路成本的嘗試。單晶體管邏輯結構如果得以繼續(xù)推進、應用于規(guī)?；a，將推動集成電路往更輕、更快、更小、功耗更低的方向發(fā)展，促進集成電路產業(yè)的發(fā)展?！暗侥菚r，人們使用的手機、電腦等設備可能將更輕便、待機時間更長。”周鵬十分看好這一研究成果的發(fā)展前景，他表示，團隊未來將探討如何進一步突破馮諾依曼架構的限制。

復旦大學專用集成電路與系統(tǒng)國家重點實驗室是研究工作的唯一單位。復旦大學微電子學院博士生劉春森及指導教師周鵬教授為共同第一作者，復旦大學微電子學院教授張衛(wèi)和周鵬為通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金委優(yōu)秀青年項目和“集成電路3-5納米節(jié)點器件基礎問題研究”應急管理項目資助。