復旦周鵬、包文中團隊成功研制出全球首顆二維現(xiàn)場可編程門陣列芯片 | NSR

全球集成電路產(chǎn)業(yè)正面臨摩爾定律的物理極限挑戰(zhàn)，原子層厚度的二維半導體是國際公認的關(guān)鍵破局方案。近期，復旦大學周鵬、包文中聯(lián)合團隊在二維半導體集成電路領(lǐng)域再次取得全球領(lǐng)先的重大突破——成功研制出全球首款基于晶圓級二維半導體材料的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。這款芯片集成了約4000個晶體管，實現(xiàn)了二維半導體從簡單邏輯電路向復雜、可重構(gòu)功能系統(tǒng)的歷史性跨越。相關(guān)成果發(fā)表于《國家科學評論》（

National Science Review

特別值得關(guān)注的是，該2D FPGA展現(xiàn)出抗輻射性能，能夠承受高達10 Mrad的伽馬射線輻照并保持功能完整，為我國在航空航天、軍事以及高可靠性計算等戰(zhàn)略關(guān)鍵領(lǐng)域提供了具備固有物理優(yōu)勢的核心器件。

相比傳統(tǒng)硅基芯片，二維材料具有原子級厚度和高比表面積的固有物理優(yōu)勢，能夠有效抵御電離輻射損傷。高達10 Mrad的總電離劑量測試結(jié)果顯示，核心邏輯模塊在輻照后依然保持功能完整。這一成果為我國在高可靠性電子元件領(lǐng)域提供了基于新材料的技術(shù)路線，能顯著減輕航天系統(tǒng)中對厚重外部屏蔽層的依賴。

通過采用行業(yè)標準的設(shè)計流程，團隊已在同一塊 2D FPGA 芯片上充分展示了其可重構(gòu)性和實用性。

基于二維過渡金屬硫化物的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。(a) 4英寸二硫化鉬晶圓照片，及連續(xù)晶圓級二硫化鉬薄膜上10個隨機位置的拉曼光譜。(b) 2D FPGA單元的局部掃描電鏡圖像（左）與E-D型NMOS邏輯的3D結(jié)構(gòu)示意圖（右）。(c) 2D FPGA的邏輯電路設(shè)計圖。(d) 2D FPGA的光學顯微鏡圖像；其中CLB指可配置邏輯塊，I/O為輸入/輸出端口，DFF表示D觸發(fā)器。

該項研究成果有力證明了二維半導體器件不僅可用于基礎(chǔ)邏輯運算，更具備構(gòu)建大規(guī)模、高可靠性、可重構(gòu)系統(tǒng)的潛力。它標志著我國在新一代抗輻射、可重構(gòu)電子系統(tǒng)芯片研發(fā)方面邁出了關(guān)鍵一步。未來團隊將依托已構(gòu)建的核心技術(shù)體系，通過與硅基產(chǎn)線兼容的集成工藝，加強與產(chǎn)業(yè)伙伴的深度合作，加速2D 芯片從實驗室到高價值市場的轉(zhuǎn)化速度 。

該項研究工作由復旦大學集成芯片與系統(tǒng)全國重點實驗室、集成電路與微納電子創(chuàng)新學院、浙江紹芯實驗室（紹興復旦研究院）、原集微科技上海有限公司聯(lián)合完成。通訊作者：周鵬教授、包文中研究員、王伶俐教授、陳新宇博士。主要貢獻者：孫琪程博士生、敖明睿博士生、董祥麒博士生。研究工作獲得了多項國家級和地方重點科研項目的支持。研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、基金委重要領(lǐng)軍人才計劃、上海市基礎(chǔ)特區(qū)計劃等項目的資助，以及教育部創(chuàng)新平臺的支持。

A field-programmable gate array based on wafer-scale two-dimensional semiconductor

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf458

（本文編輯：劉四旦）

專業(yè)品質(zhì) 學術(shù)價值

原創(chuàng)好讀 科學品位

一起閱讀科學