可能用于邊緣計(jì)算的新2D芯片

中國科學(xué)家表示，一個(gè)擁有近 6000 個(gè)晶體管的微芯片，每個(gè)晶體管只有三個(gè)原子厚，是迄今為止由二維材料制成的最復(fù)雜的微處理器。

新器件是使用半導(dǎo)體二硫化鉬制成的，它由夾在兩層硫原子之間的一片鉬原子組成?？茖W(xué)家們希望二硫化鉬等二維材料能夠在無法使用硅取得進(jìn)一步進(jìn)展時(shí)繼續(xù)實(shí)施摩爾定律。

“盡管二維材料已經(jīng)被廣泛倡導(dǎo)了十多年，但其當(dāng)前發(fā)展的真正限制并不是任何單個(gè)設(shè)備的性能，因?yàn)樵S多二維電子設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室層面運(yùn)行得非常好，”上海復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院教授鮑文忠說.“人們不斷質(zhì)疑 2D 材料實(shí)用性的原因是缺乏可擴(kuò)展、可重復(fù)且與工業(yè)流程兼容的集成技術(shù)系統(tǒng)?！?/p>

2D 芯片突破

名為 RV32-WUJI 的新型微芯片擁有 5,931 個(gè)使用現(xiàn)有 CMOS 技術(shù)制造的二硫化鉬晶體管。研究人員說，相比之下，以前最大的 2D 邏輯電路由 156 個(gè)二硫化鉬晶體管組成。Bao 說，這些新發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著“二維半導(dǎo)體材料從設(shè)備級實(shí)驗(yàn)室研究過渡到系統(tǒng)級工程應(yīng)用，為后硅時(shí)代半導(dǎo)體技術(shù)提供了可行的替代方案”。

RV32-WUJI 配備了 RISC-V 架構(gòu)，能夠執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) 32 位指令。（“RISC”代表“簡化指令集計(jì)算機(jī)”。RISC-V于 2010 年首次推出，提供一套開源的模塊化核心指令，以幫助促進(jìn)廣泛的采用和創(chuàng)新。新處理器建立在絕緣藍(lán)寶石襯底上，該襯底以電子方式將晶體管彼此隔離。研究人員還為新芯片開發(fā)了一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)單元庫，其中包含 25 種類型的邏輯單元，用于執(zhí)行基本功能，例如 AND 和 OR。

2D 半導(dǎo)體和晶圓級制造程序的復(fù)雜性可能導(dǎo)致許多可能的故障點(diǎn)。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，Bao 的團(tuán)隊(duì)使用機(jī)器學(xué)習(xí)來幫助他們優(yōu)化每個(gè)流程步驟?？偠灾M管只有實(shí)驗(yàn)室級別的制造能力，但研究人員實(shí)現(xiàn)了 99.77% 的制造良率。

“基于我們現(xiàn)有的研究成果，我們計(jì)劃探索二維集成電路的廣泛應(yīng)用場景，例如用于物聯(lián)網(wǎng)終端的邊緣計(jì)算芯片和智能傳感芯片，”鮑說。“這些應(yīng)用場景不僅會更快地展示 2D 半導(dǎo)體的競爭力，也會為未來更高密度芯片的開發(fā)提供積極的反饋?！?/p>

目前，晶體管通道區(qū)域（器件的一個(gè)關(guān)鍵特征尺寸）長 3 微米。Bao 說，科學(xué)家們計(jì)劃使用更好的光刻技術(shù)“進(jìn)一步縮小通道以提高集成密度”。

RV32-WUJI 在以 0.43 kHz 的頻率運(yùn)行時(shí)僅消耗 1 毫瓦的功率來執(zhí)行算術(shù)。Bao 承認(rèn)，硅芯片可能擁有比新設(shè)備多數(shù)百萬倍的晶體管和快數(shù)百萬倍的工作頻率。然而，他補(bǔ)充說，他們的新工作是基于大學(xué)實(shí)驗(yàn)室級別的設(shè)備和潔凈室環(huán)境。相比之下，“從上個(gè)世紀(jì)到現(xiàn)在，世界投入了大量的研發(fā)資源，”Bao 說。如果該行業(yè)采用 2D 半導(dǎo)體，“我們相信趕上硅基性能的速度將比我們想象的要快。

科學(xué)家們于 4 月 2 日在《自然》雜志上詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)。