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北京時間10月8日晚，國際權威學術期刊《自然》發表了復旦大學集成電路與微納電子創新學院、集成芯片與系統全國重點實驗室周鵬-劉春森團隊的重大研究成果——全球首顆二維-硅基混合架構閃存芯片。 這枚芯片的成功研制，標志著中國在下一代存儲核心技術領域掌握了主動權。 從今年4月發表迄今最快二維閃存原型器件“破曉”，到如今研發出“長纓”架構并實現全球首顆二維-硅基混合架構閃存芯片，復旦大學在二維電子器件工程化道路上實現了里程碑式突破。 01 突破存儲極限 大數據與人工智能時代對數據存取性能提出了極致要求。一個滿血版大模型想要流暢運行，存儲單元至少每秒工作上億次。 當下，信息的存儲速度極限，成為集成電路領域最為關鍵的基礎科學問題之一。 目前速度最快的存儲器均為易失性存儲器，速度為1—30納秒，但斷電后數據會丟失。傳統閃存不會輕易丟失數據，但存儲速度比芯片工作速度落后10萬倍以上。 2018年至今，研究團隊一直深耕閃存“提速”難題。他們從底層物理出發，構建了一個全新理論框架，研制出迄今最快的二維閃存器件“破曉”——速度達到400皮秒，比傳統閃存快100萬倍。這一突破性成果今年4月發表于《自然》。 02 借道“高速公路” 從顛覆性創新到系統級應用，本質上是一條“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”的遠見——從未來應用出發，倒推技術發展的路徑。 現有成熟的硅基工藝平臺像一條高速公路，“破曉”像是一輛新型賽車，能否借道這條高速公路？ “一旦成功，可以快速實現集成突破，同時賦能已有產業。”劉春森說。 二維半導體厚度僅為1—3個原子，如同“薄翼”般脆弱，與百微米級別的硅材料并不兼容。CMOS電路表面有很多元件，如同一個微縮“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-硅基混合架構閃存芯片（帶PCB板） 03 “長纓”架構的創新 為了解決這些難題，團隊研制了原子芯片集成框架“長纓”，將二維存儲電路與硅基電路分離制造，再通過微米尺度的高密度單片互連技術實現完整集成，芯片集成良率高達94.3%。 團隊決定從本身就具有一定柔性的二維材料入手，通過模塊化的集成方案，先將二維存儲電路與成熟CMOS電路分離制造，再與CMOS控制電路通過高密度單片互連技術實現完整芯片集成。 正是這項核心工藝的創新，實現了在原子尺度上讓二維材料和CMOS襯底的緊密貼合。團隊進一步提出了跨平臺系統設計方法論，包含二維-CMOS電路協同設計、二維-CMOS跨平臺接口設計等，并將這一系統集成框架命名為“長纓架構”。 基于CMOS電路控制二維存儲核心的全片測試支持8-bit指令操作，32-bit高速并行操作與隨機尋址。這也是迄今為止世界上首個二維-硅基混合架構閃存芯片，性能“碾壓”目前的Flash閃存技術，首次實現了混合架構的工程化。
二維-硅基混合架構閃存芯片結構示意圖，包含二維模塊、CMOS控制電路和微米尺度通孔 04 加速產業化進程 “從第一個原型晶體管到第一款 CPU花了大約24年，而我們通過把先進技術融入工業界現有的CMOS產線，這一原本需要數十年的積累過程被大幅壓縮，未來可以進一步加速探索顛覆性應用。”劉春森總結。 從基礎研究到工程化應用，團隊已跨越最艱難一步，后續迭代進程將進一步加快。他們下一步計劃建立實驗基地，與相關機構合作，建立自主主導的工程化項目，并計劃用3-5年時間將項目集成到兆量級水平，期間產生的知識產權和IP可授權給合作企業。 非易失性存儲器每年市場規模高達600億美元，其中閃存占主導。對于全球首顆二維-硅基混合架構芯片的產業價值，不少投資公司表示看好。 存儲器產業界代表認為，團隊研發的二維器件具有天然的訪問速度優勢，可突破閃存本身速度、功耗、集成度的平衡，未來或可在3D應用層面帶來更大的市場機會。 |
