复旦大学科研团队发明新的单晶体管逻辑结构

近日，复旦大学科研团队在集成电路基础研究领域取得一项突破。他们发明了让单晶体管“一个人干两个人的活”的新逻辑结构，使晶体管面积缩小50%，存储计算的同步性也进一步提升。如果成功产业化，将推动集成电路向更轻、更快、更小、功耗更低方向发展。相关研究成果已在线发表于《自然·纳米技术》。

“这项研究工作的核心内容是利用原子晶体硫化钼做出了新结构晶体管。在此基础上，团队发明了新的单晶体管逻辑结构，在单晶体管上实现了逻辑运算的‘与’和‘或’。”复旦大学微电子学院教授周鹏说。

“与”和“或”是构成计算系统的最基本逻辑单元。该研究工作使晶体管面积缩小50%，有效降低了成本，而原先需要两个独立晶体管才能实现逻辑功能，现在只要一个晶体管即可。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。

据介绍，这一新的逻辑架构可以通过器件级存算一体路径破解数据传输阻塞瓶颈问题，突破了现有逻辑系统中冯·诺依曼架构的限制。对此，周鹏打了个比方：“原先我们计算和存储数据需要两个房间跑，而现在所有数据的计算和存储都在同一个房间解决。”

在冯·诺依曼架构下，计算和存储是相互分离的。“可以理解为，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。”周鹏表示，如今，数据的计算速度越来越快，但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。

而复旦科研团队的研究则在物理架构上突破了冯·诺依曼架构的限制，只需“一个房间”就可实现计算和存储的功能，即“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。

“就像两张纸摞在一起，它们在空间上是堆叠着的，数据的计算和存储只是在原地被相对抬高了一些而已。计算层的沟道电流可以影响到存储层，从而摆脱传输环节，实现存算一体、原位存储。”周鹏说。

据介绍，单晶体管逻辑结构研究如果得以继续推进，应用于规模化生产，将推动集成电路往更轻、更快、更小、功耗更低的方向发展。