可能用于邊緣計算的新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(xué)家們希望二硫化鉬等二維材料能夠在無(wú)法使用硅取得進(jìn)一步進(jìn)展時(shí)繼續實(shí)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(gè)設備的性能，因為許多二維電子設備在實(shí)驗室層面運行得非常好，”上海復旦大學(xué)微電子學(xué)院教授鮑文忠說(shuō).“人們不斷質(zhì)疑 2D 材料實(shí)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(shù)系統?！?/p>

2D 芯片突破

名為 RV32-WUJI 的新型微芯片擁有 5,931 個(gè)使用現有 CMOS 技術(shù)制造的二硫化鉬晶體管。研究人員說(shuō)，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(shuō)，這些新發(fā)現標志著(zhù)“二維半導體材料從設備級實(shí)驗室研究過(guò)渡到系統級工程應用，為后硅時(shí)代半導體技術(shù)提供了可行的替代方案”。

RV32-WUJI 配備了 RISC-V 架構，能夠執行標準 32 位指令。（“RISC”代表“簡(jiǎn)化指令集計算機”。RISC-V于 2010 年首次推出，提供一套開(kāi)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(kāi)發(fā)了一個(gè)完整的標準單元庫，其中包含 25 種類(lèi)型的邏輯單元，用于執行基本功能，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(diǎn)。為了應對這些挑戰，Bao 的團隊使用機器學(xué)習來(lái)幫助他們優(yōu)化每個(gè)流程步驟?？偠灾?，盡管只有實(shí)驗室級別的制造能力，但研究人員實(shí)現了 99.77% 的制造良率。

“基于我們現有的研究成果，我們計劃探索二維集成電路的廣泛應用場(chǎng)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(shuō)?！斑@些應用場(chǎng)景不僅會(huì )更快地展示 2D 半導體的競爭力，也會(huì )為未來(lái)更高密度芯片的開(kāi)發(fā)提供積極的反饋?！?/p>

目前，晶體管通道區域（器件的一個(gè)關(guān)鍵特征尺寸）長(cháng) 3 微米。Bao 說(shuō)，科學(xué)家們計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 的頻率運行時(shí)僅消耗 1 毫瓦的功率來(lái)執行算術(shù)。Bao 承認，硅芯片可能擁有比新設備多數百萬(wàn)倍的晶體管和快數百萬(wàn)倍的工作頻率。然而，他補充說(shuō)，他們的新工作是基于大學(xué)實(shí)驗室級別的設備和潔凈室環(huán)境。相比之下，“從上個(gè)世紀到現在，世界投入了大量的研發(fā)資源，”Bao 說(shuō)。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(xué)家們于 4 月 2 日在《自然》雜志上詳細介紹了他們的發(fā)現。