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復(fù)旦大學(xué)發(fā)明新型晶體管結(jié)構(gòu),獨(dú)辟蹊徑延續(xù)摩爾定律?

發(fā)表于:2019-05-29  作者:sales  關(guān)注度:132

 隨著晶體管不斷縮小特征尺寸,集成電路的性能得以持續(xù)提升。然而在超小器件尺寸下,硅材料的物理極限導(dǎo)致了功耗的大幅提升,難以進(jìn)一步持續(xù)減小晶體管的特征尺寸。
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通過(guò)引入層狀半導(dǎo)體,并依據(jù)其特性設(shè)計(jì)新型層狀晶體管結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)單個(gè)晶體管實(shí)現(xiàn)邏輯門(與門、或門),而同樣的邏輯門在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中則需要兩個(gè)晶體管。


這一新型晶體管結(jié)構(gòu)極大的提高了晶體管的面積利用率,可以促進(jìn)晶體管的特征尺寸持續(xù)縮小。


讓一個(gè)人干兩個(gè)人的活,所有的事在一個(gè)辦公室里處理完成,這樣是不是大大提升了效率,節(jié)省了成本?這種思路放在集成電路中也是一樣的。


目前,集成電路已越來(lái)越緊密地和現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)生活聯(lián)系在一起,但是,隨著晶體管物理尺寸的不斷微縮,短溝道效應(yīng)等負(fù)面效應(yīng)使得漏電流不可避免,功耗大、集成度提高困難、不確定性增加,限制了集成電路的發(fā)展。


針對(duì)這些問(wèn)題,復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院教授周鵬、張衛(wèi)、曾曉洋攜團(tuán)隊(duì)與計(jì)算機(jī)學(xué)院教授姜育剛展開合作,發(fā)現(xiàn)了新材料在集成電路中的更優(yōu)應(yīng)用方案,解決了如何用新材料、新原理和新架構(gòu)繼續(xù)延展摩爾定律的難題,實(shí)現(xiàn)了電路邏輯結(jié)構(gòu)從無(wú)到有的原始創(chuàng)新。


5月27日正值復(fù)旦大學(xué)114周年校慶日,相關(guān)成果以《小尺寸晶體管架構(gòu)在可光控邏輯和原位存儲(chǔ)器中的應(yīng)用》(“Small footprint transistor architecture for photo-switching logic and in-situ memory”)為題在線發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)。
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ntent="t" style="margin: 5px; padding: 0px 10px; font-size: 16px; max-width: 100%; border-left: 5px solid rgb(55, 74, 174); line-height: 32px; color: rgb(55, 74, 174); border-top-color: rgb(55, 74, 174); border-bottom-color: rgb(55, 74, 174); border-right-color: rgb(55, 74, 174); box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">ntent="t" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">“一個(gè)人干兩人活”,提供“光控開關(guān)”切換選項(xiàng)


“我們這項(xiàng)研究工作的核心內(nèi)容是利用原子晶體硫化鉬做出了新結(jié)構(gòu)晶體管。在此基礎(chǔ)上,團(tuán)隊(duì)發(fā)明了單晶體管邏輯結(jié)構(gòu)的新原理。新原理、新結(jié)構(gòu)對(duì)原子晶體材料具有普適性。”周鵬解釋道。(半導(dǎo)體商城)


據(jù)介紹,研究團(tuán)隊(duì)采用與硅工藝兼容的雙柵作為邏輯輸入端,通過(guò)對(duì)創(chuàng)新引入的雙導(dǎo)電通道加以獨(dú)立控制,在單晶體管上實(shí)現(xiàn)了邏輯運(yùn)算的“與”和“或”。


“與”和“或”是構(gòu)成計(jì)算系統(tǒng)的最基本邏輯單元。


相比需要通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立晶體管才能實(shí)現(xiàn)邏輯功能的傳統(tǒng)體材料體系,該研究工作在邏輯門水平上縮小了50%的面積,有效降低了成本。“原先需要兩個(gè)獨(dú)立的晶體管才能實(shí)現(xiàn)邏輯功能,現(xiàn)在只需要一個(gè)晶體管,相當(dāng)于一個(gè)人干兩個(gè)人的活,這是研究工作的變革性之一。”周鵬補(bǔ)充。


同時(shí)研究中還發(fā)現(xiàn)了可層數(shù)調(diào)控的晶體管邏輯特性,并提供光切換邏輯功能的選項(xiàng)。周鵬解釋,“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),可光控邏輯相當(dāng)于我們給邏輯做了一個(gè)光控開關(guān),比如說(shuō)有光照射時(shí)可能是‘或’邏輯,那么我們撤掉光線的話它就會(huì)切換成‘與’邏輯。當(dāng)然反過(guò)來(lái)也是可以的。”


 

研究證明,該邏輯結(jié)構(gòu)對(duì)原子晶體材料具有通用性,不僅適用于研究中已經(jīng)驗(yàn)證的硫化鉬,其它具有原子晶體屬性的材料均可利用此架構(gòu)實(shí)現(xiàn)可調(diào)控的邏輯功能。

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通過(guò)進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)該層狀晶體管不但可以實(shí)現(xiàn)單一的邏輯門,而且可以通過(guò)外界的光照條件和溝道材料的厚度調(diào)控邏輯門的種類。

 

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)證明了,硫化鉬溝道的厚度在大于4nm時(shí),晶體管具備“或門”特性,而當(dāng)溝道厚度減小到4nm以下時(shí),可以通過(guò)光照條件在“與”門和“或”門之間自由切換。

 

這表明層狀晶體管結(jié)構(gòu)除了在面積利用率上有較大優(yōu)勢(shì)外,還具備更為豐富可控的特性。

 

ntent="t" style="margin: 5px; padding: 0px 10px; font-size: 16px; max-width: 100%; border-left: 5px solid rgb(55, 74, 174); line-height: 32px; color: rgb(55, 74, 174); border-top-color: rgb(55, 74, 174); border-bottom-color: rgb(55, 74, 174); border-right-color: rgb(55, 74, 174); box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">ntent="t" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">“房間”合二為一,存算一體突破現(xiàn)有架構(gòu)限制


新的邏輯架構(gòu)可以通過(guò)器件級(jí)存算一體路徑破解數(shù)據(jù)傳輸阻塞瓶頸問(wèn)題,突破了現(xiàn)有邏輯系統(tǒng)中馮諾依曼架構(gòu)的限制。

 

對(duì)存算一體、原位存儲(chǔ),周鵬打了個(gè)比方,“原先我們計(jì)算和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)需要兩個(gè)房間跑,而現(xiàn)在所有數(shù)據(jù)的計(jì)算和存儲(chǔ)都在同一個(gè)房間解決。”

 

在馮·諾依曼架構(gòu)下,計(jì)算和存儲(chǔ)是相互分離的。“就好比我們現(xiàn)在有兩個(gè)房間,房間A專門用來(lái)計(jì)算數(shù)據(jù),房間B用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)計(jì)算之后要通過(guò)電子借由導(dǎo)線從房間A傳輸?shù)椒块gB,這條導(dǎo)線就相當(dāng)于連接兩個(gè)房間的走廊。”周鵬解釋道。隨著技術(shù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)的計(jì)算速度越來(lái)越快,與此同時(shí)存儲(chǔ)速度和傳輸速度卻未能得到同步提升。馮諾依曼架構(gòu)的限制就主要體現(xiàn)在計(jì)算速度、存儲(chǔ)速度和傳輸速度的不相匹配。

 

“我們假設(shè),房間A已經(jīng)打包了100份數(shù)據(jù),卻只有幾十份數(shù)據(jù)能被即時(shí)傳輸出去;又或是房間A已經(jīng)打包完100份,房間B才剛剛開始存儲(chǔ)接收到的前幾十份數(shù)據(jù),這兩種情況都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的處理帶來(lái)很大限制。”周鵬補(bǔ)充。

 

存算一體、原位存儲(chǔ)的物理架構(gòu)突破了馮諾依曼架構(gòu)的限制。在這一架構(gòu)中,只需要“一個(gè)房間”就可實(shí)現(xiàn)計(jì)算和存儲(chǔ)的功能。“房間”內(nèi)分層工作,第一層負(fù)責(zé)計(jì)算,第二層負(fù)責(zé)存儲(chǔ),兩個(gè)表層在垂直空間上形成堆疊。周鵬打比方:“就像兩張紙摞在一起,它們?cè)诳臻g上是堆疊著的,數(shù)據(jù)的計(jì)算和存儲(chǔ)只是在原地被相對(duì)抬高了一些而已。”計(jì)算層的溝道電流可以影響到存儲(chǔ)層,從而擺脫傳輸環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)原位存儲(chǔ)。

 

ntent="t" style="margin: 5px; padding: 0px 10px; font-size: 16px; max-width: 100%; border-left: 5px solid rgb(55, 74, 174); line-height: 32px; color: rgb(55, 74, 174); border-top-color: rgb(55, 74, 174); border-bottom-color: rgb(55, 74, 174); border-right-color: rgb(55, 74, 174); box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">ntent="t" style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">充分利用新材料特性,獨(dú)辟蹊徑繼續(xù)延展摩爾定律


使用鋼鐵制造輪船、使用硅晶體制造芯片,人類在漫長(zhǎng)歷史中使用材料的本征屬性來(lái)改造自然界。但周鵬發(fā)現(xiàn),迄今的原子晶體電子器件研究工作仍然是用新材料模仿舊架構(gòu),無(wú)法真正發(fā)揮其優(yōu)異的物理本質(zhì)特性。

 

為走出窠臼,在著手該項(xiàng)研究的過(guò)程中,從材料本質(zhì)優(yōu)勢(shì)出發(fā)設(shè)計(jì)新器件成為了團(tuán)隊(duì)的重要出發(fā)點(diǎn)。最終,正是超薄、表面無(wú)懸掛鍵等硫化鉬特性的充分發(fā)揮,幫助其另辟蹊徑地實(shí)現(xiàn)了集成電路邏輯結(jié)構(gòu)上的革新,開拓了二維材料集成電路應(yīng)用的新世界。

 

據(jù)周鵬介紹,團(tuán)隊(duì)對(duì)該工作的研究興趣源自于目前國(guó)家發(fā)展對(duì)集成電路的重大需求,以及學(xué)界業(yè)界對(duì)延展摩爾定律(英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾曾提出集成電路上可容納的元器件的數(shù)量每隔18至24個(gè)月就會(huì)增加一倍,性能也將提升一倍)、降低集成電路成本的嘗試。單晶體管邏輯結(jié)構(gòu)如果得以繼續(xù)推進(jìn)、應(yīng)用于規(guī)?;a(chǎn),將推動(dòng)集成電路往更輕、更快、更小、功耗更低的方向發(fā)展,促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。“到那時(shí),人們使用的手機(jī)、電腦等設(shè)備可能將更輕便、待機(jī)時(shí)間更長(zhǎng)。”周鵬十分看好這一研究成果的發(fā)展前景,他表示,團(tuán)隊(duì)未來(lái)將探討如何進(jìn)一步突破馮諾依曼架構(gòu)的限制。(半導(dǎo)體商城)

 

復(fù)旦大學(xué)專用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是研究工作的唯一單位。復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院博士生劉春森及指導(dǎo)教師周鵬教授為共同第一作者,復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院教授張衛(wèi)和周鵬為通訊作者。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年項(xiàng)目和“集成電路3-5納米節(jié)點(diǎn)器件基礎(chǔ)問(wèn)題研究”應(yīng)急管理項(xiàng)目資助。(半導(dǎo)體商城)

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