二维材料应用延续摩尔定律

 
二维材料应用延续摩尔定律  
 

单晶体管逻辑结构示意图

■本报记者 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