全球首创！复旦大学团队发布突破性二维–硅基混合架构闪存芯片

复旦大学集成电路与系统国家重点实验室在全球半导体研究领域取得了具有里程碑意义的突破性成果。由复旦大学集成电路与微纳电子创新学院的周鹏教授和刘春森教授领衔，团队成功研发出“长缨（CY-01）”架构，将二维超高速闪存器件“破晓（PoX）”与成熟的硅基 CMOS 技术深度融合，创造了全球首颗二维–硅基混合架构闪存芯片。相关成果已于北京时间 10 月 8 日发表在《自然》（Nature）期刊上。 在大数据与人工智能时代，计算系统对数据存取速度和能效的要求达到了前所未有的高度。而传统存储器受限于速度与功耗，已成为算力发展的主要瓶颈。今年 4 月，周鹏和刘春森团队在《自然》上发表了二维闪存原型“破晓（PoX）”，实现了 400 皮秒的超高速非易失存储，刷新了全球半导体电荷存储技术的速度纪录，为破解算力瓶颈提供了底层理论支撑。 然而，更大的挑战在于如何实现“从实验室到工厂（LAB to FAB）”的跨越——即从实验性突破走向产业化应用。为加速这一进程，复旦团队主动深入产业链，与半导体行业紧密合作。 “在所有二维电子器件中，存储器最有可能率先实现产业化，”周鹏教授表示。“它并不需要极端的制造条件，却能实现远超当前商业标准的性能，有望带来颠覆性的应用场景。” 团队意识到，CMOS（互补金属氧化物半导体）是当前全球集成电路制造的主流工艺。因此，他们的研究重点是将二维超快闪存融入现有的 CMOS 生产流程，在保持传统硅工艺稳定性的同时，加速新一代技术的创新融合。 经过长达五年的探索与实验，研究团队克服了重重技术难题。传统芯片通常由厚度达数百微米的硅材料制成，而二维半导体材料仅有原子级厚度，不足 1 纳米。将如此纤薄且脆弱的材料与复杂的 CMOS 电路结构集成——如同在起伏不平的“微缩城市”中铺设一层极薄的膜——难度极大。 “从太空俯瞰上海，它似乎是平的，”周鹏形象地解释道，“但城市内部有高楼大厦、高低不平。如果在这种表面铺上一层原子级薄膜，它会立即皱裂或撕裂。” 同时，将二维材料直接引入 CMOS 制程还可能造成产线污染，这是全球芯片代工厂无法接受的风险。 为了解决这一难题，团队创新性地提出了模块化集成方法——他们选择“适应 CMOS，而非改变 CMOS”。研究人员分别独立制造二维存储电路与 CMOS 控制电路，然后通过微米级高密度单片互连技术将二者紧密结合。 这一方法实现了二维材料与 CMOS 衬底在原子级尺度上的高精度贴合，芯片良率高达 94.3%，创下新纪录。该混合芯片支持 8 位指令操作、32 位高速并行处理与随机寻址，整体性能全面超越当前主流闪存技术。这标志着世界上首次实现了二维–硅基混合架构的工程化落地。 在此基础上，团队进一步提出了跨平台系统设计框架，涵盖二维–CMOS 协同设计与接口优化方法，并将其命名为“长缨（CY-01）”架构。 “这是一项属于中国的源头技术，使我国在下一代存储核心技术领域掌握了主动权。”周鹏强调。 展望未来，复旦团队认为二维–硅基混合闪存有望成为未来计算架构的核心基础，以更快的速度、更低的功耗取代传统多层存储体系，为人工智能与大数据等前沿领域提供强大算力支撑。他们坚信，二维闪存将成为人工智能时代的标准存储方案，重新定义全球半导体与计算产业的未来格局。