時隔半年，繼“破曉（PoX）”皮秒閃存器件問世后，復(fù)旦大學(xué)在二維電子器件工程化道路上再獲重大突破。復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國重點實驗室研發(fā)的“長纓（CY-01）”架構(gòu)，將二維超快閃存器件“破曉（PoX）”與成熟硅基CMOS工藝深度融合，成功研發(fā)出全球首顆二維-硅基混合架構(gòu)芯片。這一成果攻克了新型二維信息器件工程化的關(guān)鍵難題，為新一代顛覆性器件縮短應(yīng)用化周期提供了范例，也為推動信息技術(shù)邁入全新高速時代提供了強力支撐。

相關(guān)研究成果以《全功能二維-硅基混合架構(gòu)閃存芯片》（A full-featured 2D flash chip enabled by system integration）為題，于北京時間10月8日晚間在《自然》期刊上發(fā)表。從原子級器件到功能芯片，跨越“從實驗室到工廠”的鴻溝，大數(shù)據(jù)與人工智能時代對數(shù)據(jù)存取性能提出了極致要求，而傳統(tǒng)存儲器的速度與功耗已成為阻礙算力發(fā)展的主要問題之一。今年4月，周鵬-劉春森團隊在《自然》期刊上提出“破曉”二維閃存原型器件，實現(xiàn)了400皮秒超高速非易失存儲，是迄今最快的半導(dǎo)體電荷存儲技術(shù)，為打破算力發(fā)展困境提供了底層原理。

然而，顛覆性器件要真正走向系統(tǒng)級應(yīng)用，往往需要很長時間?；厮莨杌酒陌l(fā)展歷程，半導(dǎo)體晶體管自1947年誕生起，歷經(jīng)貝爾實驗室、仙童與英特爾等頂尖力量二十余年的接力研發(fā)，才催生出全球第一顆CPU。作為集成電路的前沿領(lǐng)域，二維電子學(xué)近年來獲得諸多關(guān)注，但研究者們最關(guān)心的問題是如何加速產(chǎn)業(yè)化進程，讓二維電子器件走向功能芯片。周鵬-劉春森團隊主動融入產(chǎn)業(yè)鏈，嘗試從未來應(yīng)用的終點出發(fā)，“從10到0”倒推最具可能性的技術(shù)發(fā)展路徑。

當前，CMOS技術(shù)是集成電路制造的主流工藝，市場中的大部分集成電路芯片均使用CMOS技術(shù)制造，產(chǎn)業(yè)鏈較為成熟。團隊認為，如果要加快新技術(shù)孵化，就要將二維超快閃存器件充分融入CMOS傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)線，而這也能為CMOS技術(shù)帶來全新突破?；贑MOS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，良率高達94.3%。這也是迄今為止世界上首個二維-硅基混合架構(gòu)閃存芯片，性能遠超目前的Flash閃存技術(shù)，首次實現(xiàn)了混合架構(gòu)的工程化。

為了找到這條“正確的路”，團隊前期經(jīng)歷了5年的探索試錯，在單個器件、集成工藝等多點協(xié)同攻關(guān)。團隊的第一項集成工作發(fā)表于2024年的Nature Electronics，在最理想的原生襯底上實現(xiàn)了二維良率的突破，這為他們在真實復(fù)雜的CMOS襯底上解決問題提供了基礎(chǔ)。二維半導(dǎo)體作為一種全新的材料體系，在國際上所有的集成電路制造工廠里都是不存在的。一旦引入新材料，就有可能對其他電子器件產(chǎn)生不可估量的影響，導(dǎo)致產(chǎn)線被污染，這是所有芯片廠商都無法接受的。

如何將二維材料與CMOS集成又不破壞其性能，是團隊需要攻克的核心難題。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；而二維半導(dǎo)體材料厚度僅有1-3個原子，如同“蟬翼”般纖薄而脆弱，如果直接將二維材料鋪在CMOS電路上，材料很容易破裂，更不用談實現(xiàn)電路性能。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(shù)（微米尺度通孔）實現(xiàn)完整芯片集成。正是這項核心工藝的創(chuàng)新，實現(xiàn)了在原子尺度上讓二維材料和CMOS襯底的緊密貼合，最終實現(xiàn)超過94%的芯片良率。團隊進一步提出了跨平臺系統(tǒng)設(shè)計方法論，包含二維-CMOS電路協(xié)同設(shè)計、二維-CMOS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)”。

銜接起實驗室成果與產(chǎn)業(yè)化需求，確保理論創(chuàng)新與應(yīng)用轉(zhuǎn)化能夠“雙腿并行”，是周鵬-劉春森團隊在研究中相互交織的兩條主線。依托前期完成的研究成果與集成工作，此次打造出的芯片已成功流片。從基礎(chǔ)研究到工程化應(yīng)用，團隊已跨越最艱難一步，后續(xù)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(guān)機構(gòu)合作，建立自主主導(dǎo)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(chǎn)生的知識產(chǎn)權(quán)和IP可授權(quán)給合作企業(yè)。多位業(yè)界人士表示看好該成果以更快速度從實驗室走向大規(guī)模應(yīng)用，融入個人電腦、移動端設(shè)備等場景。存儲器產(chǎn)業(yè)界代表認為，團隊研發(fā)的二維器件具有天然的訪問速度優(yōu)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(yīng)用層面帶來更大的市場機會，下一步期待通過產(chǎn)學(xué)研協(xié)同合作，為每年600億美金的市場帶來變革。