今年4月，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-刘春森团队在《自然》期刊上提出了“破晓”（PoX）二维闪存原型器件，实现了400皮秒的超高速非易失存储，是迄今最快的半导体电荷存储技术，为解决算力发展的存储瓶颈提供了底层原理。
然而，颠覆性器件从实验室的“0”走向产业化的“10”，往往需要数十年的漫长征途。回溯历史，半导体晶体管自1947年诞生后，历经贝尔实验室、仙童与英特尔等顶尖力量二十余年的接力研发，才催生出全球第一颗CPU。
时隔半年，周鹏-刘春森团队在二维电子器件工程化道路上再次取得重大突破。
突破性成果
北京时间10月8日晚，周鹏-刘春森团队在《自然》（Nature）期刊上发表了题为《全功能二维-硅基混合架构闪存芯片》（“A full-featured 2D flash chip enabled by system integration”）的研究成果，宣布成功研发出全球首颗二维-硅基混合架构闪存芯片，攻克了新型二维信息器件工程化的关键难题。
封装后的二维-硅基混合架构闪存芯片（带PCB板）
据介绍，此次研发的“长缨（CY-01）”架构将二维超快闪存器件“破晓（PoX）”与成熟硅基CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化半导体）工艺深度融合，实现了从原子级器件到功能芯片的跨越。这一突破不仅为新一代颠覆性器件缩短了应用化周期，还为推动信息技术迈入全新高速时代提供了强力支撑。
二维-硅基混合架构闪存芯片光学显微镜照片
该芯片基于CMOS电路控制二维存储核心，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%，性能远超目前的Flash闪存技术，首次实现了混合架构的工程化。
二维材料与CMOS的完美融合
面对摩尔定律逼近物理极限的全球性挑战，具有原子级厚度的二维半导体被认为是目前国际公认的破局关键。然而，如何将二维半导体材料成功应用于集成电路中，一直是科学家们探索的难题。
CMOS技术作为当前集成电路制造的主流工艺，其产业链已相当成熟。面对这一挑战，周鹏-刘春森团队展现了“从未来应用的终点出发，倒推最具可能性的技术发展路径”的远见。他们没有固守实验室，而是主动融入产业链，思考如何将“破晓”这辆“新型赛车”驶上现有成熟的硅基CMOS工艺这条“高速公路”。
二维-硅基混合架构闪存芯片透射电子显微镜照片
CMOS电路表面元件繁多，高低起伏，如同一个微缩“城市”；而二维半导体材料厚度仅有1-3个原子，如同“蝉翼”般纤薄而脆弱。直接将二维材料铺在CMOS电路上，极易导致材料破裂。为此，团队决定从本身就具有一定柔性的二维材料入手，通过模块化的集成方案，先将二维存储电路与成熟CMOS电路分离制造，再与CMOS控制电路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。
二维-硅基混合架构闪存芯片结构示意图，包含二维模块、CMOS控制电路和微米尺度通孔
正是这项核心工艺的创新，实现了在原子尺度上让二维材料和CMOS衬底的紧密贴合，最终实现了超过94%的芯片良率。
产业化进程加速，计划3-5年集成至兆量级
据团队介绍，“破晓”器件的存储速度达到400皮秒，比传统闪存快100万倍。这一突破对于大数据与人工智能时代至关重要，因为传统存储器的速度与功耗已成为阻碍算力发展的“卡脖子”问题之一。
“破晓（PoX）”皮秒闪存器件
从基础研究到工程化应用（LAB to FAB），复旦大学科研团队已跨越了最艰难的一步。他们下一步计划建立实验基地，与相关机构合作，建立自主主导的工程化项目，并计划用3-5年时间将项目集成到兆量级水平。期间产生的知识产权和IP将授权给合作企业，进一步推动技术的产业化进程。
存储器产业界代表认为，团队研发的二维器件具有天然的访问速度优势，可突破闪存本身速度、功耗、集成度的平衡，未来或可在3D应用层面带来更大的市场机会。多位业界人士表示看好该成果以更快速度从实验室走向大规模应用，融入个人电脑、移动端设备等场景。
颠覆传统存储器体系
周鹏-刘春森团队表示，这是中国集成电路领域的“源技术”，使我国在下一代存储核心技术领域掌握了主动权。他们期待该技术能够颠覆传统存储器体系，让通用型存储器取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、更低能耗的数据支撑，让二维闪存成为AI时代的标准存储方案。
周鹏-刘春森团队
此次突破不仅为新一代颠覆性器件缩短了应用化周期，还为推动信息技术迈入全新高速时代提供了有力支撑。随着技术的不断成熟和产业化进程的加速，二维-硅基混合架构闪存芯片有望在未来市场中占据重要地位，引领存储器技术的革新与发展。
