未来我们手机里的闪存芯片，可能是由原子级薄度的二维材料制成，速度将远超现有技术。
复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室、集成电路与微纳电子创新学院周鹏-刘春森团队成功研发出全球首颗二维-硅基混合架构闪存芯片，这项突破性研究成果已于北京时间10月8日晚间发表在国际顶级期刊《自然》上。
该团队将二维超快闪存器件“破晓(PoX)”与成熟硅基CMOS工艺深度融合，攻克了新型二维信息器件工程化的关键难题。
01 突破传统架构
大数据与人工智能时代对数据存取性能提出了极致要求。
当前，最快的易失性存储器速度在1-30纳秒，但断电后数据会丢失；而传统闪存虽能保持数据，工作效率却远远落后于芯片算力。
今年4月，周鹏-刘春森团队在《自然》发表论文，推出“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。
时隔仅半年，团队在二维电子器件工程化道路上再获突破，成功研发出全球首颗二维-硅基混合架构芯片。
02 攻克集成难题
如何将二维材料与CMOS电路集成而不破坏其性能，是团队面临的核心挑战。
CMOS电路表面有许多元件，像一座微缩“城市”，高低起伏；而二维半导体材料厚度仅1-3个原子，如“蝉翼”般纤薄脆弱。
“我们没有必要去改变CMOS，而需要去适应它。”复旦大学集成电路与微纳电子创新学院副院长周鹏说。
团队从具有一定柔性特点的二维材料入手，通过模块化集成方案，先将二维存储电路与成熟CMOS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。
03 卓越性能表现
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。
芯片良率高达94.3%，性能超越目前的Flash闪存技术，首次实现了混合架构的工程化。
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（CY-01）架构”。
04 未来应用前景
研究团队表示，从基础研究到工程化应用，他们已跨越最艰难的一步，后续迭代进程将进一步加快。
团队计划未来3-5年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。
存储器产业界代表认为，这种芯片可突破闪存本身在速度、功耗、集成度上的平衡限制，未来或可在3D应用层面带来更大的市场机会。
尤其在人工智能时代，AI系统瓶颈正从前端的算力转向后端的存储和数据，这项技术有望为AI提供更高速、更低能耗的数据支撑。
团队已将这一系统集成框架命名为“长缨（CY-01）架构”。周鹏-刘春森团队期待该技术颠覆传统存储器体系，让通用型存储器取代多级分层存储架构。
正如周鹏所说，这是中国集成电路领域的 “源技术” ，使中国在下一代存储核心技术领域掌握了主动权。
