我國科學家發明新的單晶體管邏輯結構

復旦大學科研團隊近日在集成電路基礎研究領域取得一項突破。他們發明了讓單晶體管“一個人干兩個人的活”的新邏輯結構，使晶體管面積縮小50%，存儲計算的同步性也進一步提升。如果成功產業化，將推動集成電路向更輕、更快、更小、功耗更低方向發展。相關研究成果已在線發表于《自然·納米技術》。

“這項研究工作的核心內容是利用原子晶體硫化鉬做出了新結構晶體管。在此基礎上，團隊發明了新的單晶體管邏輯結構，在單晶體管上實現了邏輯運算的‘與’和‘或’。”復旦大學微電子學院教授周鵬說。

“與”和“或”是構成計算系統的最基本邏輯單元。該研究工作使晶體管面積縮小50%，有效降低了成本，而原先需要兩個獨立晶體管才能實現邏輯功能，現在只要一個晶體管即可。研究還發現了可層數調控的晶體管邏輯特性，并提供光切換邏輯功能選項。

據介紹，這一新的邏輯架構可以通過器件級存算一體路徑破解數據傳輸阻塞瓶頸問題，突破了現有邏輯系統中馮·諾依曼架構的限制。對此，周鵬打了個比方：“原先我們計算和存儲數據需要兩個房間跑，而現在所有數據的計算和存儲都在同一個房間解決。”

在馮·諾依曼架構下，計算和存儲是相互分離的。“可以理解為，房間A專門用來計算數據，房間B用來存儲數據，數據在經過計算后要通過電子借由導線從房間A傳輸到房間B，這條導線就相當于連接兩個房間的走廊。”周鵬表示，如今，數據的計算速度越來越快，但存儲速度和傳輸速度卻未能得到同步提升，馮·諾依曼架構的限制就主要體現在計算速度、存儲速度和傳輸速度的不相匹配。

而復旦科研團隊的研究則在物理架構上突破了馮·諾依曼架構的限制，只需“一個房間”就可實現計算和存儲的功能，即“房間”內分層工作，第一層負責計算，第二層負責存儲，兩個表層在垂直空間上形成堆疊。

“就像兩張紙摞在一起，它們在空間上是堆疊著的，數據的計算和存儲只是在原地被相對抬高了一些而已。計算層的溝道電流可以影響到存儲層，從而擺脫傳輸環節，實現存算一體、原位存儲。”周鵬說。

據介紹，單晶體管邏輯結構研究如果得以繼續推進，應用于規模化生產，將推動集成電路往更輕、更快、更小、功耗更低的方向發展。