复旦团队发布全球首颗二维-硅基混合架构闪存芯片

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-刘春森团队研发的“长缨（CY-01）”架构，将二维超快闪存器件“破晓（PoX）”与成熟硅基CMOS工艺深度融合，率先研制出全球首颗二维-硅基混合架构芯片。相关成果于北京时间10月8日晚间在《自然》（Nature）期刊发表。

大数据与人工智能时代对数据存取性能提出极高要求，传统存储器的速度与功耗已成为制约算力发展的瓶颈之一。今年4月，该团队在《自然》期刊提出“破晓”二维闪存原型器件，实现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，为解决算力发展困境提供底层原理支撑。

如何实现“LAB to FAB（从实验室到工厂）”，是二维电子器件产业化面临的核心挑战。周鹏表示，存储器是二维电子器件最有可能率先实现产业化的类型，因其对材料质量和制造工艺要求相对较低，且性能指标远超现有技术，具备颠覆性应用潜力。

当前CMOS（互补金属氧化半导体）技术为集成电路主流工艺，产业链高度成熟。为加速新技术孵化，团队选择将二维超快闪存器件融入现有CMOS产线，以推动其工程化落地，并为CMOS技术带来新突破。这一目标历经五年探索试错。

硅材料与二维材料存在显著差异：硅片厚度通常达数百微米，薄层硅亦有数十纳米；而二维半导体材料仅1-3个原子层，厚度不足1纳米。周鹏指出，二维材料作为全新体系，在现有集成电路工厂中并不存在，直接引入可能导致产线污染，影响其他器件性能，难以被厂商接受。

如何实现二维材料与CMOS集成而不损害性能，成为关键难题。CMOS电路表面结构复杂，高低不平，如同微缩“城市”；而二维材料如“蝉翼”般纤薄脆弱，直接铺设易破裂，无法保证电路功能。

周鹏比喻：“从太空看上海似乎平坦，但实际存在不同高度建筑。若铺一张薄膜于其上，膜必然不平整。”目前全球研究者多在原子级平整的原生衬底上加工二维材料。虽有尝试通过“磨平”CMOS衬底适配二维材料，但实现原子级平整不具备可行性。

团队提出“适应而非改变CMOS”的思路，从二维材料自身柔性出发，采用模块化集成方案：先分离制造二维存储电路与成熟CMOS控制电路，再通过高密度单片互连技术（微米尺度通孔）实现完整芯片集成。

该核心工艺创新实现了原子尺度上二维材料与CMOS衬底的紧密贴合，最终芯片良率达94%以上。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，良率高达94.3%，为全球首个二维-硅基混合架构闪存芯片，性能显著超越现有Flash闪存技术，首次实现混合架构工程化。

团队同步提出跨平台系统设计方法论，涵盖二维-CMOS电路协同设计、跨平台接口设计等，并将该集成框架命名为“长缨（CY-01）架构”。

周鹏-刘春森团队认为，该技术是我国集成电路领域的“源技术”，使我国在下一代存储核心技术领域掌握主动权，有望颠覆传统存储器体系，推动通用型存储器替代多级分层存储架构，为人工智能、大数据等前沿领域提供更高速、更低能耗的数据支持，助力二维闪存成为AI时代的标准存储方案。