全球首颗二维-硅基混合架构闪存芯片在复旦诞生

北京时间10月8日晚，国际权威学术期刊《自然》发表了复旦大学集成电路与微纳电子创新学院、集成芯片与系统全国重点实验室周鹏-刘春森团队的重大研究成果——全球首颗二维-硅基混合架构闪存芯片。

这枚芯片的成功研制，标志着中国在下一代存储核心技术领域掌握了主动权。

从今年4月发表迄今最快二维闪存原型器件“破晓”，到如今研发出“长缨”架构并实现全球首颗二维-硅基混合架构闪存芯片，复旦大学在二维电子器件工程化道路上实现了里程碑式突破。

01 突破存储极限

大数据与人工智能时代对数据存取性能提出了极致要求。一个满血版大模型想要流畅运行，存储单元至少每秒工作上亿次。

当下，信息的存储速度极限，成为集成电路领域最为关键的基础科学问题之一。

目前速度最快的存储器均为易失性存储器，速度为1—30纳秒，但断电后数据会丢失。传统闪存不会轻易丢失数据，但存储速度比芯片工作速度落后10万倍以上。

2018年至今，研究团队一直深耕闪存“提速”难题。他们从底层物理出发，构建了一个全新理论框架，研制出迄今最快的二维闪存器件“破晓”——速度达到400皮秒，比传统闪存快100万倍。这一突破性成果今年4月发表于《自然》。

02 借道“高速公路”

从颠覆性创新到系统级应用，本质上是一条“从0到10”的艰难征途。而要真正走通这条路，离不开从“10到0”的远见——从未来应用出发，倒推技术发展的路径。

现有成熟的硅基工艺平台像一条高速公路，“破晓”像是一辆新型赛车，能否借道这条高速公路？

“一旦成功，可以快速实现集成突破，同时赋能已有产业。”刘春森说。

二维半导体厚度仅为1—3个原子，如同“薄翼”般脆弱，与百微米级别的硅材料并不兼容。CMOS电路表面有很多元件，如同一个微缩“城市”，有高楼也有平地，高低起伏。

如果直接将二维材料铺在CMOS电路上，材料很容易破裂。


封装后的二维-硅基混合架构闪存芯片（带PCB板）

03 “长缨”架构的创新

为了解决这些难题，团队研制了原子芯片集成框架“长缨”，将二维存储电路与硅基电路分离制造，再通过微米尺度的高密度单片互连技术实现完整集成，芯片集成良率高达94.3%。

团队决定从本身就具有一定柔性的二维材料入手，通过模块化的集成方案，先将二维存储电路与成熟CMOS电路分离制造，再与CMOS控制电路通过高密度单片互连技术实现完整芯片集成。

正是这项核心工艺的创新，实现了在原子尺度上让二维材料和CMOS衬底的紧密贴合。团队进一步提出了跨平台系统设计方法论，包含二维-CMOS电路协同设计、二维-CMOS跨平台接口设计等，并将这一系统集成框架命名为“长缨架构”。

基于CMOS电路控制二维存储核心的全片测试支持8-bit指令操作，32-bit高速并行操作与随机寻址。这也是迄今为止世界上首个二维-硅基混合架构闪存芯片，性能“碾压”目前的Flash闪存技术，首次实现了混合架构的工程化。


二维-硅基混合架构闪存芯片结构示意图，包含二维模块、CMOS控制电路和微米尺度通孔

04 加速产业化进程

“从第一个原型晶体管到第一款 CPU花了大约24年，而我们通过把先进技术融入工业界现有的CMOS产线，这一原本需要数十年的积累过程被大幅压缩，未来可以进一步加速探索颠覆性应用。”刘春森总结。

从基础研究到工程化应用，团队已跨越最艰难一步，后续迭代进程将进一步加快。他们下一步计划建立实验基地，与相关机构合作，建立自主主导的工程化项目，并计划用3-5年时间将项目集成到兆量级水平，期间产生的知识产权和IP可授权给合作企业。

非易失性存储器每年市场规模高达600亿美元，其中闪存占主导。对于全球首颗二维-硅基混合架构芯片的产业价值，不少投资公司表示看好。

存储器产业界代表认为，团队研发的二维器件具有天然的访问速度优势，可突破闪存本身速度、功耗、集成度的平衡，未来或可在3D应用层面带来更大的市场机会。