中国科研人员发明单晶体管逻辑结构新原理

▲随着晶体管特征尺寸的缩小，集成电路的性能不断提高。然而，在超小器件尺寸下，硅材料的物理限制导致功耗的大幅增加，这使得进一步连续减小晶体管的特征尺寸变得困难。

通过引入分层半导体并根据其特性设计新的分层晶体管结构，发现逻辑门(与门、或门)可以由单个晶体管实现，而在传统结构中，同一逻辑门需要两个晶体管。

新的晶体管结构大大提高了晶体管的面积利用率，并能促进晶体管特征尺寸的不断减小。

让一个人做两个人的工作，所有的事情都在一个办公室里处理。这是否大大提高了效率并节省了成本？这种想法在集成电路中也是一样的。

目前，集成电路已经越来越紧密地与现代社会的生产和生活联系在一起。然而，随着晶体管物理尺寸的缩小，诸如短沟道效应之类的负面效应使得漏电流不可避免、高功耗、难以改善集成以及不确定性增加，这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的周鹏教授、张伟教授、曾晓阳教授和计算机科学学院的蒋玉刚教授合作寻找新材料在集成电路中更好的应用方案，解决如何用新材料、新原理、新架构继续推广摩尔定律的问题，从零开始实现电路逻辑结构的原始创新。

5月27日，庆祝复旦大学建校114周年。相关成果发表在《自然纳米技术》在线版上，标题为“用于光开关逻辑和原位存储的小尺寸晶体管架构”。

▲单晶体管逻辑结构示意图

“一人做两份工作”，并提供“灯光控制开关”的切换选项

“我们研究工作的核心内容是利用硫化钼原子晶*造具有新结构的晶体管。在此基础上，该团队发明了单晶体管逻辑结构的新原理。原子晶体材料的新原理和新结构具有普适性周鹏解释道。

据介绍，该研究团队采用与硅技术兼容的双门作为逻辑输入端，通过独立控制创新引入的双导电通道，实现单个晶体管逻辑运算的“与”和“或”。

“与”和“或”是计算系统最基本的逻辑单元。

与需要两个独立的晶体管来实现逻辑功能的传统大块材料系统相比，该研究工作在逻辑门级减少了50%的面积，并且有效地降低了成本。“最初，需要两个独立的晶体管来实现逻辑功能。现在，只需要一个晶体管，相当于一个人做两个人的工作。这是研究中的变化之一。”周鹏接着说道。

同时，在研究中还发现了可分层调控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。”

研究证明，该逻辑结构对原子晶体材料具有普适性，不仅适用于研究中验证的硫化钼，而且其他具有原子晶体性质的材料也可以利用该结构实现可控的逻辑功能。

▲通过进一步研究发现，分层晶体管不仅可以实现单个逻辑门，还可以通过外部光照条件和沟道材料的厚度来调节逻辑门的类型。

现有的实验数据已经证明，当硫化钼沟道的厚度大于4纳米时，晶体管具有“或”门特性，当沟道厚度减小到小于4纳米时，晶体管可以通过光照条件在“与”门和“或”门之间*切换。

这表明分层晶体管结构除了在面积利用率方面具有更大的优势之外，还具有更丰富和可控的特性。

“房间”合二为一，存储和计算融为一体，突破了现有结构的限制。

新的逻辑体系结构突破了冯·诺依曼体系结构在现有逻辑系统中的局限性，通过设备级内存和计算集成路径解决了数据传输阻塞的瓶颈问题。

对于存储计算和就地存储的集成，周鹏做了一个类比:“我们原来需要两个房间来计算和存储数据，但是现在所有的数据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。“就像我们现在有两个房间一样，房间A专门用来计算数据，房间B用来存储数据。经过计算，数据将通过电子线路从房间A传输到房间B，这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。同时，存储速度和传输速度没有同步提高。冯·诺依曼体系结构的局限性主要体现在计算速度、存储速度和传输速度的不匹配上。

“让我们假设房间A已经打包了100份数据，但是只有几十份可以立即传输。或者a室已经打包了100份，b室刚刚开始存储最初几十份接收到的数据，这两种情况都会对数据处理造成很大限制。”周鹏接着说道。

集成存储和计算以及原位存储的物理架构突破了冯·诺依曼架构的限制。在这种体系结构中，只需要“一个房间”来实现计算和存储功能。“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。周鹏打了个比方:“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。

充分利用新材料的特性，继续以新的方式推广摩尔定律。

在漫长的历史中，人类利用钢铁制造船只，利用硅晶*造芯片，利用材料的内在特性来改造自然。然而，周鹏发现，原子晶体电子器件的研究工作至今仍是以新材料模仿旧结构，无法真正发挥其优异的物理本质特征。

为了打破常规，在开始研究的过程中，基于材料的本质优势的新装置的设计已经成为团队的重要起点。最终，它充分发挥了硫化钼超薄、表面无悬空键等特性，从另一个角度创新了集成电路的逻辑结构，为二维材料集成电路的应用开辟了一个新的天地。

据周鹏介绍，该团队对这项工作的研究兴趣源于当前国家发展对集成电路的主要需求，以及学术界和工业界试图扩展摩尔定律(英特尔联合创始人戈登·摩尔曾提出，集成电路上可容纳的元件数量将每18至24个月翻一番，性能将翻一番)，并降低集成电路的成本。如果单晶体管逻辑结构能够进一步推广应用于大规模生产，将会推动集成电路向更轻、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。”周鹏对此研究成果的发展前景非常乐观。他说，该团队将探索未来如何进一步突破冯·诺依曼结构的限制。

复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室是唯一的研究单位。复旦大学微电子学院博士生刘春森和导师周鹏教授为合著者，复旦大学微电子学院教授张伟和周鹏为通讯作者。这项研究工作得到了中国杰出青年项目国家自然科学基金和“集成电路5纳米节点器件基本问题研究”应急管理项目的资助。

相关论文信息:https://www.nature.com/articles/s41565-019-0466