首颗“二维芯”诞生！复旦大学突破芯片集成极限，“长缨”架构迈向二维材料工业级应用 | 光锥读论文

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我们每天使用的手机、电脑和各种智能设备，其核心“大脑”都依赖于小小的芯片。几十年来，硅一直是芯片制造的基石。然而，随着技术的飞速迭代，硅材料正逐渐逼近其物理极限，就像一条不断拓宽却终将饱和的高速公路，难以承载未来信息爆炸式增长的需求。科学家们亟需寻找新的筑路材料，“二维材料”就这样进入了科学家的视野。


想象一下，把一张纸削薄一百万倍，薄到只剩一层原子厚度——这就是二维材料，例如二硫化钼（MoS₂）。它们拥有优异的电学特性，理论上能构建出比硅芯片更小、速度更快、能耗更低的电子器件。


10月8日，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的周鹏-刘春森团队，在Nature发表论文A full-featured 2D flash chip enabled by system integration（基于系统集成的全功能二维闪存芯片），报道其所研发的“长缨（CY-01）”架构，研发出全球首颗二维-硅基混合架构芯片。

世界首颗二维-硅基混合架构闪存芯片 | 复旦大学提供


这颗芯片的核心存储单元，正是基于该团队在今年4月于《自然》杂志发布的“破晓（PoX）”皮秒闪存器件。当时，他们通过理论创新，打破了存储速度的理论极限，将闪存的擦写速度提升至惊人的400皮秒，创造了半导体电荷存储技术的速度纪录。将“破晓”与成熟硅基CMOS工艺深度融合，标志着二维电子学从实验室走向实际应用迈出关键一步。


从“堆积木”到“建城堡”


实验室的原型器件要走向实用化，必须跨越“工业集成”的鸿沟。单个二维材料器件在实验室里表现惊艳，但要将它们大规模、高密度地集成起来，做成一个像我们手机里那样功能复杂的实用芯片，却面临着巨大的挑战。这就像拥有最顶级的乐高积木，却难以在崎岖不平的地基上稳固地搭建起宏伟城堡。主要困难有三：


“地基”不平：现有的成熟硅芯片（CMOS平台）表面并非理想的光滑平面，而是像微缩的山地一样存在纳米级的起伏。这对于只有原子厚度的二维材料来说，就像在坑洼的泥地上铺玻璃，极易产生应力导致材料破裂或性能不均。


“拼装”冲突： 二维材料独特的工作机制（如超快的电子隧穿效应）与现有的硅芯片制造工艺和电路设计存在兼容性问题。两者如同说着不同“语言”的部件，难以协同工作。


“包装”易损：芯片最后需要封装保护，但传统封装过程中的高温、静电和机械应力，对于娇嫩如蝉翼的二维材料来说，简直如同酷刑，极易造成损伤。


ATOM2CHIP：打通任督二脉


面对这些难题，复旦大学团队提出了名为“ATOM2CHIP”（原子器件到芯片）的技术方案，其拥有两大核心法宝：


全栈式工艺：


“自适应粘合”术：团队开发了一种特殊的缓冲工艺，能让二维材料像水一样温柔地贴合在粗糙的硅芯片表面，有效释放应力，大幅提升集成稳定性和良品率。


“模块化”3D搭法：他们创新性地将二维存储单元和硅控制电路设计成独立的功能模块，并通过精心设计的接口连接。这巧妙地将棘手的兼容性问题，转化为更容易解决的接口设计问题。


“温柔呵护”封装：针对二维材料的脆弱性，团队开发了低温、低压的封装工艺，并设计了区域化的静电防护方案，如同为芯片穿上了量身定制的防护服，有效抵御了封装过程中的各种伤害。


跨平台设计：


团队不仅设计了基于二维材料的超快、超低能耗的存储单元电路，还专门为它量身定制了硅基控制电路。他们建立了一套完整的“模拟-验证”方法，确保二维和硅这两种不同“平台”的电路模块能够无缝协作，精确理解指令、处理地址和读写数据，让整个芯片系统流畅运行。

二维-硅基混合架构闪存芯片光学显微镜照片


首颗“二维芯”诞生


运用ATOM2CHIP技术，团队成功在成熟的硅芯片平台上，集成制造了一个包含1024个存储单元（1Kb）的二维NOR闪存模块，诞生了世界首颗全功能的二维闪存芯片。测试结果令人振奋：


高良率：芯片制造良品率高达惊人的94.34%！这对于新兴材料集成领域是一个里程碑式的成就，意味着二维芯片的大规模生产成为可能。


闪电速度：单个存储单元的读写操作速度快至20纳秒，比现有技术快得多。


超低能耗：写入一个比特（bit，信息的最小单位）数据仅需消耗0.644皮焦耳（pJ）的能量，能耗显著降低。


真·芯片：这颗芯片绝非实验室的“玩具”。它支持复杂的指令操作（8位指令）、能并行同时处理高达32位的数据，并能随机访问任意数据，运行时钟频率达到5MHz，证明了这是一个真正可工作的系统级产品。

复旦团队官宣研发出全球首颗二维硅基混合架构闪存芯片


这项突破，其意义远不止于造出一款新型存储芯片，它首次系统性地解决了二维材料从“单点优异”走向“系统可用”的核心集成难题，为其他类型的二维材料芯片（如处理器、传感器）的开发扫清了关键障碍。


ATOM2CHIP技术提供了一套完整的工艺和设计方法论，为学术界和产业界提供了将前沿二维器件概念转化为实际芯片的“路线图”和“工具箱”。


随着硅基芯片逼近极限，二维材料被视为最有希望的接班人。这项突破让我们清晰地看到，未来更小巧（如可穿戴设备）、更强大（如人工智能）、更节能（如物联网节点）的电子设备，其核心芯片采用二维材料技术正从梦想走向现实。 


编辑：吴欧

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抢占科技制高点，我们扬眉吐气的日子应该不远了！