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北京時(shí)間10月8日晚，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了復(fù)旦大學(xué)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院、集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周鵬-劉春森團(tuán)隊(duì)的重大研究成果——全球首顆二維-硅基混合架構(gòu)閃存芯片。 這枚芯片的成功研制，標(biāo)志著中國(guó)在下一代存儲(chǔ)核心技術(shù)領(lǐng)域掌握了主動(dòng)權(quán)。 從今年4月發(fā)表迄今最快二維閃存原型器件“破曉”，到如今研發(fā)出“長(zhǎng)纓”架構(gòu)并實(shí)現(xiàn)全球首顆二維-硅基混合架構(gòu)閃存芯片，復(fù)旦大學(xué)在二維電子器件工程化道路上實(shí)現(xiàn)了里程碑式突破。 01 突破存儲(chǔ)極限 大數(shù)據(jù)與人工智能時(shí)代對(duì)數(shù)據(jù)存取性能提出了極致要求。一個(gè)滿血版大模型想要流暢運(yùn)行，存儲(chǔ)單元至少每秒工作上億次。 當(dāng)下，信息的存儲(chǔ)速度極限，成為集成電路領(lǐng)域最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題之一。 目前速度最快的存儲(chǔ)器均為易失性存儲(chǔ)器，速度為1—30納秒，但斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失。傳統(tǒng)閃存不會(huì)輕易丟失數(shù)據(jù)，但存儲(chǔ)速度比芯片工作速度落后10萬(wàn)倍以上。 2018年至今，研究團(tuán)隊(duì)一直深耕閃存“提速”難題。他們從底層物理出發(fā)，構(gòu)建了一個(gè)全新理論框架，研制出迄今最快的二維閃存器件“破曉”——速度達(dá)到400皮秒，比傳統(tǒng)閃存快100萬(wàn)倍。這一突破性成果今年4月發(fā)表于《自然》。 02 借道“高速公路” 從顛覆性創(chuàng)新到系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用，本質(zhì)上是一條“從0到10”的艱難征途。而要真正走通這條路，離不開從“10到0”的遠(yuǎn)見——從未來(lái)應(yīng)用出發(fā)，倒推技術(shù)發(fā)展的路徑。 現(xiàn)有成熟的硅基工藝平臺(tái)像一條高速公路，“破曉”像是一輛新型賽車，能否借道這條高速公路？ “一旦成功，可以快速實(shí)現(xiàn)集成突破，同時(shí)賦能已有產(chǎn)業(yè)。”劉春森說(shuō)。 二維半導(dǎo)體厚度僅為1—3個(gè)原子，如同“薄翼”般脆弱，與百微米級(jí)別的硅材料并不兼容。CMOS電路表面有很多元件，如同一個(gè)微縮“城市”，有高樓也有平地，高低起伏。 如果直接將二維材料鋪在CMOS電路上，材料很容易破裂。 
封裝后的二維-硅基混合架構(gòu)閃存芯片（帶PCB板） 03 “長(zhǎng)纓”架構(gòu)的創(chuàng)新 為了解決這些難題，團(tuán)隊(duì)研制了原子芯片集成框架“長(zhǎng)纓”，將二維存儲(chǔ)電路與硅基電路分離制造，再通過(guò)微米尺度的高密度單片互連技術(shù)實(shí)現(xiàn)完整集成，芯片集成良率高達(dá)94.3%。 團(tuán)隊(duì)決定從本身就具有一定柔性的二維材料入手，通過(guò)模塊化的集成方案，先將二維存儲(chǔ)電路與成熟CMOS電路分離制造，再與CMOS控制電路通過(guò)高密度單片互連技術(shù)實(shí)現(xiàn)完整芯片集成。 正是這項(xiàng)核心工藝的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了在原子尺度上讓二維材料和CMOS襯底的緊密貼合。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了跨平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法論，包含二維-CMOS電路協(xié)同設(shè)計(jì)、二維-CMOS跨平臺(tái)接口設(shè)計(jì)等，并將這一系統(tǒng)集成框架命名為“長(zhǎng)纓架構(gòu)”。 基于CMOS電路控制二維存儲(chǔ)核心的全片測(cè)試支持8-bit指令操作，32-bit高速并行操作與隨機(jī)尋址。這也是迄今為止世界上首個(gè)二維-硅基混合架構(gòu)閃存芯片，性能“碾壓”目前的Flash閃存技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了混合架構(gòu)的工程化。
二維-硅基混合架構(gòu)閃存芯片結(jié)構(gòu)示意圖，包含二維模塊、CMOS控制電路和微米尺度通孔 04 加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 “從第一個(gè)原型晶體管到第一款 CPU花了大約24年，而我們通過(guò)把先進(jìn)技術(shù)融入工業(yè)界現(xiàn)有的CMOS產(chǎn)線，這一原本需要數(shù)十年的積累過(guò)程被大幅壓縮，未來(lái)可以進(jìn)一步加速探索顛覆性應(yīng)用。”劉春森總結(jié)。 從基礎(chǔ)研究到工程化應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)已跨越最艱難一步，后續(xù)迭代進(jìn)程將進(jìn)一步加快。他們下一步計(jì)劃建立實(shí)驗(yàn)基地，與相關(guān)機(jī)構(gòu)合作，建立自主主導(dǎo)的工程化項(xiàng)目，并計(jì)劃用3-5年時(shí)間將項(xiàng)目集成到兆量級(jí)水平，期間產(chǎn)生的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和IP可授權(quán)給合作企業(yè)。 非易失性存儲(chǔ)器每年市場(chǎng)規(guī)模高達(dá)600億美元，其中閃存占主導(dǎo)。對(duì)于全球首顆二維-硅基混合架構(gòu)芯片的產(chǎn)業(yè)價(jià)值，不少投資公司表示看好。 存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)界代表認(rèn)為，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的二維器件具有天然的訪問(wèn)速度優(yōu)勢(shì)，可突破閃存本身速度、功耗、集成度的平衡，未來(lái)或可在3D應(yīng)用層面帶來(lái)更大的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。 |
