全球首颗，二维-硅基混合架构闪存芯片问世

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合

复旦大学首个二维材料CMOS融合全功能“闪存芯片”。

一项有望重塑半导体技术格局的突破性进展，复旦大学周鹏-刘春森团队推出了一款功能齐全的二维 (2D) NOR 闪存芯片，该芯片采用创新的 ATOM2CHIP 技术打造。这项进展不仅仅是一种渐进式的改进，它标志着二维材料在存储器件实际应用方面的重大飞跃，成功弥合了尖端材料科学与成熟的 CMOS（互补金属氧化物半导体）制造技术之间的差距。

“破晓（PoX）”皮秒闪存器件 图源：复旦大学

大数据与人工智能时代对数据存取性能提出了极致要求，而传统存储器的速度与功耗已成为阻碍算力发展的“卡脖子”问题之一。今年4月，周鹏-刘春森团队于《自然》（Nature）期刊提出“破晓”二维闪存原型器件，实现了400皮秒超高速非易失存储，是迄今最快的半导体电荷存储技术，为打破算力发展困境提供了底层原理。

传统上，将二维材料与硅基电子产品集成充满挑战，这主要是由于CMOS电路中存在的微观粗糙度以及封装过程中产生的损伤导致器件性能不稳定。这些问题一直以来都限制了基于二维材料的电子元件的良率和可靠性。该研究团队的创新方法涉及一种全面的片上集成方法，可以减轻此类随机应力因素，实现了高达94.34%的制造良率，这一数字表明该器件已具备商业可行性。

这项技术奇迹的核心在于ATOM2CHIP 系统，这是一种全栈工程工艺，能够将原子级厚度的二维材料无缝集成到现有的半导体制造流程中。这种方法不仅保留了二维材料的固有特性，还增强了其操作稳定性。通过保持结构完整性并降低材料变异性，该工艺能够制造出具有超快切换速度和高能效运行的闪存单元。

所开发的2D NOR 闪存单元以每存储周期 20 纳秒的高速运行，其性能指标与传统的硅基闪存相比极具竞争力。此外，其能耗也非常低，运行时每位仅消耗 0.644 皮焦耳。如此卓越的效率有望彻底改变功耗受限环境下的存储技术，例如移动设备、边缘计算和物联网 (IoT) 应用，因为在这些应用中，电池寿命至关重要。

本研究的另一项重要创新是跨平台系统设计方法的实现。该框架确保了新兴二维电子设备（通常采用非常规的操作机制）与成熟且广泛使用的CMOS基础架构之间的兼容性。这种兼容性对于实际部署至关重要，因为它允许下一代二维组件无缝集成到现有电子系统中，而无需对生产线或设计架构进行彻底的更改。

所演示的2D NOR闪存架构还支持指令驱动操作，这一特性有助于在芯片级直接实现对存储器功能的复杂控制。此外，该芯片还提供32位并行处理能力，可实现数据流的并行处理，从而显著提高吞吐量和计算效率。重要的是，以5 MHz时钟速度实现的随机访问功能，使其能够在各种需要快速、任意数据检索的应用场景中灵活使用。

这项开创性的研究不仅标志着非易失性存储器领域的一个重要里程碑，也拓宽了二维电子学的整体视野。通过在高度集成和可扩展的芯片格式中利用分层二维材料的独特电气特性，该团队为将二维材料从简单的演示器件集成到完全实现的商业设备中开辟了一条可扩展的途径。

这项工作的意义远不止闪存技术本身。它为将二维材料融入各种电子元件（包括晶体管、传感器和逻辑电路）打开了大门，所有这些都得益于二维半导体提供的高载流子迁移率和强大的静电控制。这有望带来超紧凑、更快、更节能的电子产品，推动从消费电子到高级计算和人工智能等领域的创新。

此外，这项研究强调了精细的系统集成在新型材料发展中的重要性。它解决了长期以来将二维材料在材料层面的优势与工业规模制造的严格要求相结合的问题。通过解决良率和可靠性瓶颈，该方法为未来致力于二维电子产品商业化的研发工作树立了新的标杆。

值得注意的是，这一突破与半导体行业当前的异构集成趋势高度契合。在单个芯片上集成不同的材料和器件架构，可以提升性能并实现新功能。ATOM2CHIP 技术的成功实施，证明了将新兴二维材料与传统硅生态系统集成的可行性，并有望在下一代电子系统中得到更广泛的应用。

二维闪存单元的节能效果也体现了其可持续性优势，这在数字数据呈指数级增长、数据中心和智能设备能耗不断攀升的背景下至关重要。降低功耗不仅有助于延长便携式电子设备的电池寿命，还能降低计算基础设施的整体碳足迹，从而符合全球环境和节能目标。

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