单晶体管逻辑结构示意图
中国科学报记者：冯丽妃黄辛
“让一个人干两个人的活，原本在两个办公室里做的事在一间办公室里完成，这样是不是提升了效率、节省了成本？这种思路放在集成电路中也是一样的。”在解释 5 月 27 日发表在《自然—纳米技术》上的新成果时，复旦大学微电子学院教授周鹏这样说。
集成电路和人们的生产、生活联系得越来越紧密，然而随着晶体管的不断微缩，短沟道效应等负面效应增加，功耗大、集成度难提高、不确定性增加，限制了集成电路的发展。在这项新研究中，周鹏与复旦大学教授张卫、曾晓洋和姜育刚等合作，发现新材料硫化钼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续摩尔定律的难题，实现了电路逻辑结构从无到有的创新。
“二维材料研究的时间比较长，但利用单个晶体管尚未实现逻辑运算的功能。”中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员狄增峰说。他表示，这项研究创新性地在一个晶体管上实现了逻辑运算的功能，是一个比较大的突破。
逻辑运算“以一当二”
“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，团队发现了单晶体管逻辑结构的新原理。新结构和原理对原子晶体材料具有普适性。”文章通讯作者周鹏向《中国科学报》解释说。
“与”和“或”是构成计算系统的最基本逻辑单元。传统材料体系需要通过两个独立的晶体管才能实现逻辑功能。周鹏表示，这项研究的变革性之一是在单晶体管上实现了逻辑运算的“与”和“或”，在逻辑门水平上缩小了 50% 的面积，有效降低了成本。
同时，研究中还发现了可层数调控的晶体管逻辑特性，并提供了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。当然反过来也可以。”
文章第一作者、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，其他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
新的逻辑架构可以通过器件级存算一体路径，突破数据传输阻塞的瓶颈。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，与此同时，存储速度和传输速度却未能同步提升，导致计算速度和存储、传输速度不匹配。
存算一体、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。
周鹏打比方说：“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。
打开集成电路应用新大门
迄今为止，集成电路中大规模使用的半导体材料仍然以硅为基础。“由于多方面的原因，我国在硅基集成电路方面与国外大约有两三个技术代的差距，大约需要三至五年的时间追赶。”狄增峰告诉《中国科学报》。
狄增峰表示，自二维材料石墨烯研究在 2010 年获得诺贝尔奖以来，国内外该领域相关研究基本上是同步的，某些方面国内还超过国外。正因如此，“未来，我们在硅基集成电路方面落后的局面有望改变，基于二维材料的集成电路技术能够实现与国际同步发展，产生重大突破。”
尽管二维材料的研究热度已经持续了较长时间，但在此之前原子晶体电子器件研究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。此次，合作团队利用硫化钼超薄、表面无悬挂键等特性，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。
“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富有创造性的奇特功能，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。”《自然—纳米技术》审稿人在评述中如是说。
随着芯片微缩至纳米级，业界认为摩尔定律已趋极限。当前，科学界和产业界都在不断尝试延续摩尔定律、降低集成电路成本。面对这一技术极限以及我国对集成电路的重大需求，周鹏表示，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、电脑等设备可能更轻便、待机时间更长。”周鹏补充说。
相关论文信息：
DOI:10.1038/s41565-019-0462-6