复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室集成电路与微纳电子创新学院周鹏-刘春森团队研发的“长缨（CY-01）”架构，将二维超快闪存器件“破晓（PoX）”与成熟硅基CMOS工艺深度融合，率先研发出全球首颗二维-硅基混合架构芯片。相关研究成果于北京时间10月8日晚间在《自然》（Nature）期刊上发表。这一突破性进展不仅标志着我国在芯片技术领域取得重大突破，更为人工智能、大数据等前沿领域提供了更高速、更低能耗的数据支撑。

　　大数据与人工智能时代对数据存取性能提出了极致要求，而传统存储器的速度与功耗已成为阻碍算力发展的“卡脖子”问题之一。今年4月，周鹏-刘春森团队于《自然》（Nature）期刊提出“破晓”二维闪存原型器件，实现了400皮秒超高速非易失存储，是迄今最快的半导体电荷存储技术，为打破算力发展困境提供了底层原理。这一技术突破，无疑为芯片性能的提升开辟了新的道路。

破晓皮秒闪存器件

　　但研究者们最关心的问题莫过于“LAB to FAB（从实验室到工厂）”难题。如何加速产业化进程，让二维电子器件走向功能芯片？周鹏-刘春森团队主动融入产业链，通过模块化的集成方案，先将二维存储电路与成熟CMOS电路分离制造，再与CMOS控制电路通过高密度单片互连技术实现完整芯片集成。这一创新方案，为二维电子器件的产业化铺平了道路。

　　“从目前技术来看，存储器是二维电子器件最有可能首个产业化的器件类型。因为它对材料质量和工艺制造没有提出更高要求，而且能够达到的性能指标远超现在的产业化技术，可能会产生一些颠覆性的应用场景。”在存储器领域深耕多年的周鹏认为。

　　当前，CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化半导体）技术是集成电路制造的主流工艺，市场中的大部分集成电路芯片均使用CMOS技术制造，产业链较为成熟。团队认为，如果要加快新技术孵化，就要将二维超快闪存器件充分融入CMOS传统半导体产线，而这也能为CMOS技术带来全新突破。这一融合策略，有望推动芯片技术的进一步发展。

　　为了找到这条“正确的路”，团队前期经历了5年的探索试错。人们现在所说的芯片多由硅材料制作。而硅材料和二维材料可以说天差地别——硅片厚度往往在几百微米，一些薄层硅至少也有几十纳米；而二维半导体材料是原子级别，相当于厚度不到1纳米。

　　“二维半导体作为一种全新的材料体系，在国际上所有的集成电路制造工厂里都是不存在的。一旦引入新材料，就有可能对其他电子器件产生不可估量的影响，导致产线被污染，这是所有芯片厂商都无法接受的。”周鹏介绍。如何将二维材料与CMOS集成又不破坏其性能，是团队需要攻克的核心难题。

　　CMOS电路表面有很多元件，如同一个微缩“城市”，有高楼也有平地，高低起伏；而二维半导体材料厚度仅有1-3个原子，如同“蝉翼”般纤薄而脆弱，如果直接将二维材料铺在CMOS电路上，材料很容易破裂，更不用谈实现电路性能。正是这项核心工艺的创新，实现了在原子尺度上让二维材料和CMOS衬底的紧密贴合，最终实现超过94%的芯片良率。

　　基于CMOS电路控制二维存储核心的全片测试支持8-bit指令操作，32-bit高速并行操作与随机寻址，良率高达94.3%。这也是迄今为止世界上首个二维-硅基混合架构闪存芯片，性能“碾压”目前的Flash闪存技术，首次实现了混合架构的工程化。团队进一步提出了跨平台系统设计方法论，为芯片技术的未来发展提供了新的思路。

　　“这是中国集成电路领域的‘源技术’，使我国在下一代存储核心技术领域掌握了主动权。”展望二维-硅基混合架构闪存芯片的未来，周鹏-刘春森团队期待该技术颠覆传统存储器体系，让通用型存储器取代多级分层存储架构，为人工智能、大数据等前沿领域提供更强劲的数据支撑，让二维闪存成为AI时代的标准存储方案。

（文章来源：上观新闻）