近日,復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國重點(diǎn)實驗室的周鵬-劉春森團(tuán)隊宣布,在二維電子器件工程化領(lǐng)域取得重大突破。該團(tuán)隊成功研發(fā)出全球首顆二維-硅基混合架構(gòu)閃存芯片,相關(guān)成果以《全功能二維-硅基混合架構(gòu)閃存芯片》為題,于北京時間10月8日晚間在《自然》期刊上發(fā)表。
當(dāng)前,集成電路制造的主流工藝仍是CMOS技術(shù),市場中的大部分芯片均采用該技術(shù)生產(chǎn)。然而,復(fù)旦團(tuán)隊認(rèn)為,若要加速新技術(shù)孵化,需將二維超快閃存器件與CMOS傳統(tǒng)產(chǎn)線深度融合。這種融合不僅能為CMOS技術(shù)帶來突破,還能縮短新一代顛覆性器件的應(yīng)用周期。
團(tuán)隊研發(fā)的“長纓(CY-01)”架構(gòu),正是這一理念的實踐。該架構(gòu)將此前問世的“破曉(PoX)”二維超快閃存器件與成熟硅基CMOS工藝結(jié)合,實現(xiàn)了混合架構(gòu)的工程化。基于CMOS電路控制的二維存儲核心,支持8-bit指令操作、32-bit高速并行操作與隨機(jī)尋址,良率高達(dá)94.3%,性能遠(yuǎn)超現(xiàn)有Flash閃存技術(shù)。
“從第一個原型晶體管到第一款CPU,傳統(tǒng)路徑花了約24年。而我們通過融入現(xiàn)有CMOS產(chǎn)線,大幅壓縮了這一過程。”團(tuán)隊成員劉春森表示,未來可進(jìn)一步加速探索顛覆性應(yīng)用。
實現(xiàn)這一突破并非易事。硅材料與二維材料的差異巨大:硅片厚度通常在幾百微米,而二維半導(dǎo)體材料僅1-3個原子厚,如同“蟬翼”般脆弱。直接將二維材料鋪在CMOS電路上,極易導(dǎo)致材料破裂,更無法實現(xiàn)電路性能。為此,團(tuán)隊決定從二維材料本身的柔性入手,采用模塊化集成方案。
具體而言,團(tuán)隊先將二維存儲電路與CMOS電路分離制造,再通過高密度單片互連技術(shù)(微米尺度通孔)實現(xiàn)完整芯片集成。這一創(chuàng)新工藝,使二維材料與CMOS襯底在原子尺度上緊密貼合,最終實現(xiàn)了超過94%的芯片良率。
團(tuán)隊還提出了跨平臺系統(tǒng)設(shè)計方法論,涵蓋二維-CMOS電路協(xié)同設(shè)計、跨平臺接口設(shè)計等,并將這一系統(tǒng)集成框架命名為“長纓(CY-01)架構(gòu)”。此前,團(tuán)隊在2024年的《自然-電子學(xué)》上發(fā)表了第一項集成工作,在最理想的原生襯底上實現(xiàn)了二維良率的突破,為后續(xù)在復(fù)雜CMOS襯底上解決問題奠定了基礎(chǔ)。
目前,該芯片已成功流片,標(biāo)志著從基礎(chǔ)研究到工程化應(yīng)用的跨越。團(tuán)隊下一步計劃建立實驗基地,與相關(guān)機(jī)構(gòu)合作推進(jìn)工程化項目,計劃用3-5年時間將項目集成到兆量級水平,并將產(chǎn)生的知識產(chǎn)權(quán)和IP授權(quán)給合作企業(yè)。
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