二维材料应用延续摩尔定律

科普小知识2021-07-03 10:16:36

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单晶体管逻辑结构示意图

■本报记者冯、黄欣

“让一个人做两个人的工作，原来在两个办公室里做的事情在一个办公室里完成。这能提高效率并节约成本吗？这种想法在集成电路中也是一样的。”复旦大学微电子学院教授周鹏在解释5月27日发表在《自然-纳米技术》杂志上的新结果时如是说。

集成电路与人们的生产和生活联系越来越紧密。然而，随着晶体管的不断缩小和短沟道效应等负面效应的增加，集成电路的发展受到功耗大、难以提高集成度和不确定性增加的限制。在这项新的研究中，周鹏与复旦大学张伟、曾晓阳、蒋玉刚教授合作，发现了新材料硫化钼在集成电路中更好的应用方案，解决了如何用新材料、新原理、新架构延续摩尔定律的问题，从零开始实现了电路逻辑结构的创新。

二维材料已经研究了很长时间，但逻辑运算的功能还没有用单个晶体管来实现中国科学院上海微系统与信息技术研究所的戴增锋教授说。他说，这项研究创新性地实现了晶体管的逻辑运算功能，这是一个相对较大的突破。

“以一为二”的逻辑运算

“我们研究工作的核心内容是用硫化钼原子晶*造具有新结构的晶体管。在此基础上，该团队发现了单晶体管逻辑结构的新原理。新的结构和原理对原子晶体材料是通用的。”通讯员周鹏向《中国科学》解释道。

“与”和“或”是计算系统最基本的逻辑单元。传统的材料系统需要两个独立的晶体管来实现逻辑功能。周鹏说，这项研究的创新之一是在单个晶体管上实现逻辑运算的“与”和“或”，这在逻辑门级别上减少了50%的面积，并有效地降低了成本。

同时，在研究中还发现了可分层控制的晶体管的逻辑特性，并提供了光开关逻辑功能的选择。周鹏解释道，“简单地说，可控光逻辑相当于我们为逻辑做了一个光控开关。例如，当有光时，它可能是“或”逻辑。如果我们移开灯，它将切换到“与”逻辑。当然，反过来也是可能的。”

文章的第一作者、复旦大学微电子学院博士生刘春森告诉记者，研究证明，原子晶体材料的逻辑结构是通用的，不仅适用于已在研究中得到验证的硫化钼，其他具有原子晶体性质的材料也可以利用这种结构实现可调逻辑功能。

存储和计算的集成突破了现有的体系结构

新的逻辑架构可以通过设备级内存和计算集成路径突破数据传输阻塞的瓶颈。对于存储计算和就地存储的集成，周鹏做了一个类比:“原来我们需要两个房间来计算和存储数据，但是现在所有的数据都是在同一个房间计算和存储的”。

在冯·诺依曼结构下，计算和存储是相互分离的。随着技术的发展，数据的计算速度越来越快。同时，存储速度和传输速度不能同步提高，导致计算速度和存储传输速度不匹配。

集成存储计算和原位存储的物理架构突破了冯·诺依曼结构的限制，只需要“一个房间”就可以实现计算和存储的功能。“房间”分为几层，第一层负责计算，第二层负责存储，两个表面层在垂直空间形成一个堆栈。

周鹏打个比方说:“就像两张纸叠在一起一样，它们在空间里叠在一起。数据的计算和存储只是在原地略有提升。”计算层的通道电流会影响存储层，从而摆脱传输链路，实现原位存储。

打开集成电路应用的新大门

到目前为止，集成电路中大规模使用的半导体材料仍以硅为基础。“由于各种原因，在硅基集成电路方面，中国与外国的技术差距大约有两三代，需要大约三到五年才能赶上。”迪增锋告诉《中国科学》。

戴增锋表示，自2010年二维材料石墨烯的研究获得诺贝尔奖以来，国内外在该领域的相关研究已经基本同步，在某些方面国内研究已经超过国外研究。正因为如此，“在未来，我们在硅基集成电路方面的落后状况有望改变。基于二维材料的集成电路技术可以实现与国际社会的同步发展，并产生重大突破。”

尽管对二维材料的研究长期以来一直是热点，但在此之前，对原子晶体电子器件的研究仍然是以新材料模仿旧结构，不能真正发挥其优异的物理本质特征。这一次，合作团队利用超薄硫化钼和表面无悬挂键，以新的方式实现了集成电路逻辑结构的创新，为二维材料集成电路的应用开辟了新的天地。

“这项研究利用二维材料的独特结构，使晶体管显示出高面积效率和创造性的特殊功能，如光敏逻辑和原位存储。下一代二维半导体集成电路的特殊应用概念将为计算和存储打开一扇新的大门。”这是自然纳米技术的评论者在他们的评论中所说的。

随着芯片缩小到纳米级，业界认为摩尔定律已经达到极限。目前，科学和工业正在不断地试图延续摩尔定律，降低集成电路的成本。面对这一技术限制和我国对集成电路的巨大需求，周鹏表示，如果单晶体管逻辑结构能够继续得到推广并应用于大规模生产，将推动集成电路朝着更轻、更快、更小、更低功耗的方向发展，推动集成电路产业的发展。“到那时，人们可能会使用手机和电脑等更便携的设备，待机时间也会更长。”周鹏接着说道。