可能用于邊緣計算的新2D芯片

中國科學家表示，一個擁有近 6000 個晶體管的微芯片，每個晶體管只有三個原子厚，是迄今為止由二維材料制成的最復雜的微處理器。

新器件是使用半導體二硫化鉬制成的，它由夾在兩層硫原子之間的一片鉬原子組成?？茖W家們希望二硫化鉬等二維材料能夠在無法使用硅取得進一步進展時繼續(xù)實施摩爾定律。

“盡管二維材料已經(jīng)被廣泛倡導了十多年，但其當前發(fā)展的真正限制并不是任何單個設備的性能，因為許多二維電子設備在實驗室層面運行得非常好，”上海復旦大學微電子學院教授鮑文忠說.“人們不斷質疑 2D 材料實用性的原因是缺乏可擴展、可重復且與工業(yè)流程兼容的集成技術系統(tǒng)。”

2D 芯片突破

名為 RV32-WUJI 的新型微芯片擁有 5,931 個使用現(xiàn)有 CMOS 技術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 個二硫化鉬晶體管組成。Bao 說，這些新發(fā)現(xiàn)標志著“二維半導體材料從設備級實驗室研究過渡到系統(tǒng)級工程應用，為后硅時代半導體技術提供了可行的替代方案”。

RV32-WUJI 配備了 RISC-V 架構，能夠執(zhí)行標準 32 位指令。（“RISC”代表“簡化指令集計算機”。RISC-V于 2010 年首次推出，提供一套開源的模塊化核心指令，以幫助促進廣泛的采用和創(chuàng)新。新處理器建立在絕緣藍寶石襯底上，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)了一個完整的標準單元庫，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 半導體和晶圓級制造程序的復雜性可能導致許多可能的故障點。為了應對這些挑戰(zhàn)，Bao 的團隊使用機器學習來幫助他們優(yōu)化每個流程步驟。總而言之，盡管只有實驗室級別的制造能力，但研究人員實現(xiàn)了 99.77% 的制造良率。

“基于我們現(xiàn)有的研究成果，我們計劃探索二維集成電路的廣泛應用場景，例如用于物聯(lián)網(wǎng)終端的邊緣計算芯片和智能傳感芯片，”鮑說。“這些應用場景不僅會更快地展示 2D 半導體的競爭力，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（器件的一個關鍵特征尺寸）長 3 微米。Bao 說，科學家們計劃使用更好的光刻技術“進一步縮小通道以提高集成密度”。

RV32-WUJI 在以 0.43 kHz 的頻率運行時僅消耗 1 毫瓦的功率來執(zhí)行算術。Bao 承認，硅芯片可能擁有比新設備多數(shù)百萬倍的晶體管和快數(shù)百萬倍的工作頻率。然而，他補充說，他們的新工作是基于大學實驗室級別的設備和潔凈室環(huán)境。相比之下，“從上個世紀到現(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。

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