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  • 中国科研人员发明单晶体管逻辑结构新原理

    来源:www.shuoshisheng.net 发布时间:2020-04-11

    作者:江肖鹏温源:文慧网络发布日期:2019/5/28 15:27336049

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    New Principle of Single Transistor Logic Structure by China research

    Will to Innovative Changes in Integrated Circuits

    ▲随着晶体管特征尺寸的缩小,集成电路的性能不断提高。然而,在超小器件尺寸下,硅材料的物理限制导致功耗的大幅度增加,这使得难以进一步连续减小晶体管的特征尺寸。

    通过引入分层半导体并根据其特性设计新的分层晶体管结构,发现逻辑门(与门,或门)可以由单个晶体管实现,而传统结构中同一逻辑门需要两个晶体管。

    这种新的晶体管结构大大提高了晶体管的面积利用率,并能促进晶体管特性尺寸的不断减小。

    让一个人做两个人的工作,所有的事情都在一个办公室里完成。这是否大大提高了效率并节约了成本?这种想法在集成电路中是一样的。

    针对这些问题,复旦大学微电子学院的周鹏、张伟、曾晓阳教授和计算机科学学院的蒋玉刚教授合作寻找新材料在集成电路中更好的应用方案,解决如何用新材料、新原理、新架构继续推广摩尔定律的问题,从零开始实现电路逻辑结构的原始创新。

    5月27日是复旦大学成立114周年。相关结果在线发布于《小尺寸晶体管架构在可光控逻辑和原位存储器中的应用》(自然纳米技术),标题为“用于光开关逻辑和原位存储器的小尺寸晶体管架构”。

    ▲单晶体管逻辑结构示意图

    “一人为两人工作”和“光开关”开关选项”“我们研究工作的核心内容是用原子晶体硫化钼制造新结构的晶体管。在此基础上,该团队发明了单晶体管逻辑结构的新原理。新原理和新结构对原子晶体材料具有普遍性周鹏解释道。

    据介绍,研究团队采用与硅技术兼容的双门作为逻辑输入端子,通过独立控制创新的双导电通道,在单个晶体管上实现逻辑运算的“与”和“或”。

    “与”和“或”是计算系统中最基本的逻辑单元。

    与传统的需要两个独立晶体管来实现逻辑功能的体材料系统相比,本研究工作在逻辑门层面上减少了50%的面积,有效地降低了成本。“最初,需要两个独立的晶体管来实现逻辑功能。现在,只需要一个晶体管,相当于一个人做两个人的工作。这是研究中的变化之一。”周鹏补充道。

    同时,研究还发现了可分层控制的晶体管的逻辑特性,并提供了光开关逻辑功能的选择。周鹏解释道,“简单地说,可控光逻辑相当于我们为逻辑做了一个光控制开关。例如,当有光时,它可能是“或”逻辑。如果我们去掉光,它将切换到“and”逻辑。当然,反过来也是可能的。”

    研究证明,这种逻辑结构对于原子晶体材料是通用的,不仅适用于研究中验证的硫化钼,而且其他具有原子晶体性质的材料也可以利用这种结构实现可调的逻辑功能。

    ▲通过进一步研究发现,分层晶体管不仅可以实现单个逻辑门,还可以通过外部光照条件和沟道材料厚度来调节逻辑门的类型。

    这表明,分层晶体管结构除了在面积利用率方面具有更大的优势之外,还具有更丰富和可控的特性。

    “房间”合二为一,存储和计算的集成突破了现有体系结构的限制。

    新的逻辑架构可以通过存储和计算的设备级集成路径解决数据传输阻塞的瓶颈问题,突破了冯诺依曼架构在现有逻辑系统中的局限性。

    对于存储计算和就地存储的集成,周鹏做了一个类比:“最初我们需要两个房间来计算和存储数据,但现在所有的数据都计算和存储在同一个房间里。”

    在冯诺依曼架构下,计算和存储是相互分离的。“就像我们现在有两个房间一样,甲房间专门用来计算数据,乙房间用来存储数据。经过计算,数据将通过电子线路从甲室传输到乙室,相当于连接两个房间的走廊。”周鹏解释道。随着技术的发展,数据的计算速度越来越快。同时,存储速度和传输速度没有同步提高。冯诺依曼体系结构的局限性主要体现在计算速度、存储速度和传输速度的不匹配上。

    "让我们假设房间甲已经打包了100份数据,但是只有几十份可以立即传输。或者a室已经打包了100份拷贝,b室刚刚开始存储前几十份接收到的数据,这两者都会对数据处理造成很大限制。”周鹏补充道。

    集成存储计算和就地存储的物理架构突破了冯诺依曼架构的限制。在这种体系结构中,只需要“一个房间”来实现计算和存储功能。“房间”分为几层,第一层负责计算,第二层负责存储,两个表面层在垂直空间中形成一个堆栈。周鹏举个例子:“就像两张纸叠在一起一样,它们在空间上一张一张地叠在一起。数据的计算和存储在现场仅略有提高。”计算层的沟道电流会影响存储层,从而摆脱传输链路,实现原位存储。

    充分利用新材料的特性,继续以新的方式扩展摩尔定律。

    在漫长的历史中,人类利用钢铁制造船只,利用硅晶体制造芯片,利用材料的内在特性来改造自然。然而,周鹏发现,到目前为止,原子晶体电子器件的研究工作仍然是用新材料模仿旧结构,这并不能真正发挥其优异的物理本质特性。

    为了走出常规,在开始研究的过程中,基于材料本质优势的新器件设计已经成为团队的重要起点。最终,正是硫化钼超薄、表面无悬空键等特性的充分发挥,帮助其以另一种方式创新集成电路的逻辑结构,为二维材料集成电路的应用开辟了新天地。

    据周鹏介绍,该团队对这项工作的研究兴趣源于当前国内发展对集成电路的主要需求,以及学术界和工业界试图扩展摩尔定律(英特尔联合创始人戈登摩尔曾提出,集成电路上可容纳的元件数量将每18-24个月翻一番,性能将翻一番),并降低集成电路的成本。如果单晶体管逻辑结构能够继续推广应用到大规模生产中,将会推动集成电路向更轻、更快、更小、更低功耗的方向发展,促进集成电路产业的发展。“到那时,人们可能会使用更多的便携式设备,如手机和电脑,待机时间也会更长。”周鹏对这一研究成果的发展前景非常乐观。他表示,该团队将探索如何在未来进一步突破冯诺依曼(Von Neumann)结构的局限。

    复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室是唯一的研究单位。复旦大学微电子学院博士候选人刘春森和讲师周鹏教授是合着者,复旦大学微电子学院教授张伟和周鹏是通讯作者。研究工作由国家自然科学基金中国杰出青年项目和“集成电路3-5纳米节点器件基础问题研究”应急管理项目资助。

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