原标题：复旦科学家发明芯片基础器件全新结构单晶体管“一人干两人的活”
工作中“一套人马、两块牌子”很常见。如果把这一思路用于芯片基础器件开发，将会怎样？在摩尔定律所预言的元器件发展速度接近瓶颈的时候，中国科学家、复旦大学周鹏和张卫团队发明了让单晶体管“一个人干两个人的活”的逻辑结构全新原理。在新结构下，不仅晶体管面积缩小50%，存储计算的同步性也进一步提升。若成功产业化，对芯片基础器件的开发提升具有重要意义。相关研究成果昨晚在线发表于《自然·纳米技术》。
电路逻辑结构从无到有
1965年，英特尔联合创始人戈登·摩尔提出摩尔定律，意指集成电路上可容纳的元器件数量每隔18至24个月就会增加一倍，性能也将提升一倍。根据这一速度计算，过去是每5年增长10倍，每10年增长100倍。如今每年只能增长几个百分点，每10年可能只有2倍。在这一业内关注的“后摩尔时代”，复旦大学微电子学院教授周鹏、张卫、曾晓洋携团队与计算机学院教授姜育刚展开合作，发现了新材料在集成电路中的更优应用方案，解决了如何用新材料、新原理和新架构继续延展摩尔定律的难题，实现了电路逻辑结构从无到有的创新。
“我们这项研究工作的核心内容是利用原子晶体硫化钼做出新结构晶体管。在此基础上，团队发明单晶体管逻辑结构的新原理，对原子晶体材料具有普适性。”周鹏说，研究团队采用与硅工艺兼容的双栅作为逻辑输入端，通过对创新引入双导电通道加以独立控制，在单晶体管上实现逻辑运算的“与”和“或”。“与”和“或”是构成计算系统的最基本逻辑单元。这一研究工作在逻辑门水平上缩小了50%面积，有效降低成本。“原先需要两个独立的晶体管才能实现逻辑功能，现在只要一个晶体管，相当于一个人干两个人的活。”
研究还发现了可层数调控的晶体管逻辑特性，并提供光切换逻辑功能选项。周鹏说：“简单来说，可光控逻辑相当于我们给逻辑做一个光控开关，有光照射时可能是‘或’逻辑，那么我们撤掉光线的话就会切换成‘与’逻辑。反过来也是可以的。”研究证明，这一逻辑结构对原子晶体材料具有通用性，不仅适用于研究中已验证的硫化钼，其它具有原子晶体属性的材料均可利用此架构实现可调控的逻辑功能。
存算一体突破现有架构限制
据介绍，新的逻辑架构可通过器件级存算一体路径，破解数据传输阻塞问题，突破现有逻辑系统中冯诺依曼架构的限制。
在冯诺依曼架构下，计算和存储是相互分离的。“就好比我们现在有两个房间，房间A专门用来计算数据，房间B用来存储数据，数据在经过计算之后要通过电子借由导线从房间A传输到房间B，这条导线就相当于连接两个房间的走廊。”周鹏说，随着技术发展，数据计算速度越来越快，存储速度和传输速度却未能得到同步提升。冯诺依曼架构的限制就主要体现在计算速度、存储速度和传输速度的不相匹配。
如今，存算一体、原位存储，在物理架构突破了冯诺依曼架构的限制。只需要“一个房间”就可实现计算和存储的功能。“房间”内分层工作，第一层负责计算，第二层负责存储，两个表层在垂直空间上形成堆叠。计算层的沟道电流可影响到存储层，从而摆脱传输环节，实现原位存储。课题组带头人张卫说：“现在普遍应用的U盘，最早其器件原理由贝尔实验室在1967年提出，大规模产业化是在2000年左右，在产业化道路上都有一个周期，或者说从创新到应用的‘延后期’，我们期待这次逻辑结构全新原理能够尽快服务于产业。”
