Der weltweit erste innovatives Speicherchip von Fudan Universität erscheint in Nature und ist bereits in der Fertigungsphase.

Xindongxi berichtete am 11. Oktober, dass am 8. Oktober ein Team der Fudan-Universität die weltweit erste zweidimensionale siliziumbasierte Hybrid-Chip-Architektur entwickelt hat. Die zugehörigen Forschungsergebnisse wurden in der internationalen Spitzenwissenschaftszitschrift Nature veröffentlicht.

Dieses Ergebnis integriert das zweidimensionale ultraschnelle Flash-Speichermedium tiefgreifend mit der etablierten CMOS-Technologie (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), hat die Schlüsselprobleme bei der Industrialisierung zweidimensionaler Informationsbauelemente gelöst und die technischen Probleme bei der Speichergeschwindigkeit bewältigt.

Laut der offiziellen WeChat-Account der Fudan-Universität übertrifft die Leistung dieses Chips die aktuelle Flash-Speichertechnologie bei weitem und hat erstmals die Industrialisierung der Hybrid-Architektur erreicht. Basierend auf den zuvor erzielten Forschungsergebnissen und der Integrationstechnologie ist der neu entwickelte Chip erfolgreich hergestellt.

Der Ganz-Chip-Test, der die zweidimensionale Speicherkernsteuerung über CMOS-Schaltkreise unterstützt, ermöglicht 8-Bit-Befehlsoperationen, 32-Bit-Hochgeschwindigkeits-Paralleloperationen und Zufallsadressierung, mit einer Ausbeute von bis zu 94,34%.

Der Titel der Publikation lautet "Fully functional two-dimensional–silicon hybrid architecture flash memory chips". Die Korrespondenzautoren der Publikation sind Liu Chunsen, Forscher am Institut für Innovation in integrierten Schaltungen und Mikro- und Nanoelektronik sowie am Nationalen Schwerpunktlabor für integrierte Chips und Systeme der Fudan-Universität, und Zhou Peng, Professor. Die Erstautoren der Publikation sind Liu Chunsen, der Doktorand Jiang Yongbo, Shen Bojian, Yuan Shengchao und Cao Zhenyuan.

Link zur Publikation:

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09621-8

Etwa sechs Monate nach der Entstehung des Picosekunden-Flash-Speicherbauelements "PoX" ist dies ein weiteres meilensteinartiges Durchbruchsergebnis der Fudan-Universität im Bereich der Industrialisierung zweidimensionaler Elektronikbauelemente.

Im April dieses Jahres stellte das Zhou Peng-Liu Chunsen-Team in der Zeitschrift Nature das zweidimensionale Flash-Speicherprototypbauelement "PoX" vor, das eine ultraschnelle nichtflüchtige Speicherung von 400 Pikosekunden erreicht hat. Dies ist bisher die schnellste Halbleiterspeichertechnologie für Ladungen und bietet die grundlegende Theorie zur Überwindung der Schwierigkeiten in der Rechenleistungsentwicklung.

Ihr Team hat die "Changying (CY - 01) Architektur" entwickelt, die das zweidimensionale ultraschnelle Flash-Speicherbauelement "PoX" tiefgreifend mit der etablierten siliziumbasierten CMOS-Technologie integriert und einen voll funktionsfähigen zweidimensionalen NOR-Flash-Chip basierend auf der Technologie von atomaren Bauelementen bis hin zum Chip (ATOM2CHIP) entwickelt.

Optisches Mikroskopbild des zweidimensionalen siliziumbasierten Hybrid-Architektur-Flash-Chips (Quelle: Fudan-Universität)

Laut der Publikation erweitern zweidimensionale Materialien die Skalierbarkeit von Silizium-Technologiebauelementen und treiben die grundlegende Innovation des Bauelementemechanismus voran. Obwohl bemerkenswerte Fortschritte bei der Integration zweidimensionaler Materialien oder der 2D-CMOS-Hybridintegration erzielt wurden, fehlt bisher noch ein vollständiges System, das die Vorteile der Bauelemente wirklich in die praktische Anwendung umsetzen kann.

Aktuell können zweidimensionale Halbleiter noch nicht die gleiche Leistung von Logikschaltungen wie die fortschrittliche Siliziumtechnologie erreichen. Daher ist die Kombination von zweidimensionaler Elektronik mit etablierten siliziumbasierten CMOS-Logikschaltungen ein vielversprechender Weg, um die systemweiten Vorteile der zweidimensionalen Elektronik voll auszuschöpfen.

Die relevante Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Kombination von zweidimensionalen Materialien mit der CMOS-Technologie, um die Leistung der Bauelemente zu verbessern. Es fehlt noch die Kerntechnologie, um die Vorteile des Konzepts zweidimensionaler Bauelemente in das System zu übertragen. Die Entwicklung eines solchen systematischen Prozesses und einer Designmethodik erfordert eine ganzheitliche On-Chip-Technologie, die von der planaren Integration, der dreidimensionalen Architektur bis hin zur Chipverkapselung reicht, und die systemübergreifende Systemgestaltung muss realisiert werden.

"Speicher sind die Art von Bauelementen, bei denen zweidimensionale Elektronikbauelemente am wahrscheinlichsten zuerst industrialisiert werden. Denn sie stellen keine höheren Anforderungen an die Materialqualität und die Herstellungstechnologie, und die erreichbaren Leistungsindikatoren übertreffen bei weitem die gegenwärtige Industrialisierungstechnologie. Dies könnte zu einigen subversiven Anwendungsfällen führen." meint Zhou Peng, der seit vielen Jahren im Speicherbereich tätig ist.

Derzeit werden die meisten integrierten Schaltkreischips auf dem Markt mit CMOS-Technologie hergestellt, und die Industriekette ist relativ etabliert. Das Team ist der Meinung, dass, wenn man die Inkubation neuer Technologien beschleunigen will, das zweidimensionale ultraschnelle Flash-Speicherbauelement vollständig in die traditionelle Halbleiterproduktionslinie der CMOS-Technologie integriert werden muss, was auch für die CMOS-Technologie einen Durchbruch bedeuten kann.

"Es hat etwa 24 Jahre gedauert, von der ersten Prototyp-Transistorschaltung bis zum ersten CPU. Indem wir die fortschrittlichen Technologien in die bestehenden CMOS-Produktionslinien der Industrie integrieren, wird dieser ursprünglich jahrzehntelange Akkumulationsprozess stark verkürzt. In Zukunft kann die Erforschung subversiver Anwendungen weiter beschleunigt werden." resümiert Liu Chunsen.

Das Team hat in den letzten fünf Jahren verschiedene Versuche unternommen und sich an mehreren Punkten wie Einzelbauelementen und Integrationsverfahren bemüht. Ihre erste Integrationsarbeit wurde 2024 in Nature Electronics veröffentlicht, in der ein Durchbruch bei der Ausbeute von zweidimensionalen Bauelementen auf dem idealsten ursprünglichen Substrat erreicht wurde. Dies hat die Grundlage für die Lösung von Problemen auf realen und komplexen CMOS-Substraten gelegt.

Transmissionselektronenmikroskopbild des zweidimensionalen siliziumbasierten Hybrid-Architektur-Flash-Chips (Quelle: Fudan-Universität)

Das Kernproblem, das zu lösen ist, besteht darin, wie man zweidimensionale Materialien mit CMOS integriert, ohne deren Leistung zu beeinträchtigen.

Die Oberfläche von CMOS-Schaltkreisen hat viele Bauelemente, während die Dicke von zweidimensionalen Halbleitermaterialien nur 1 - 3 Atome beträgt. Wenn man direkt zweidimensionale Materialien auf die CMOS-Schaltkreise legt, brechen die Materialien leicht.

"Wenn man Shanghai von der Weltraumstation aus betrachtet, scheint es sehr eben zu sein. Aber in der Stadt gibt es Gebäude mit Höhen von über 400 Metern, 100 Metern oder nur einigen zehn Metern. Wenn man eine Folie über die Stadt legt, wird die Folie uneben sein." veranschaulicht Zhou Peng anschaulich.

Deshalb können derzeit die Forscher an zweidimensionalen Halbleitern weltweit nur auf extrem ebenen ursprünglichen Substraten Materialien verarbeiten. Ein Lösungsansatz besteht darin, das CMOS-Substrat "ebenzuschleifen", um es an die zweidimensionalen Materialien anzupassen. Aber die Realisierung einer atomar ebenen Oberfläche ist nicht realistisch.

Das Zhou Peng-Liu Chunsen-Team beschloss, von den zweidimensionalen Materialien auszugehen, die von Natur aus eine gewisse Flexibilität haben. Durch ein modularisiertes Integrationskonzept werden zunächst die zweidimensionalen Speicherschaltungen und die etablierten CMOS-Schaltungen getrennt hergestellt und dann mit der CMOS-Steuerschaltung über eine hochdichte Monolith-Interkonnektionstechnologie (Durchkontaktierungen im Mikrometerbereich) zu einem vollständigen Chip integriert.

Durch diese Innovation in der Kerntechnologie wird eine enge Anpassung der zweidimensionalen Materialien an das CMOS-Substrat auf atomarer Ebene erreicht, und schließlich wird eine Chipausbeute von über 94% erzielt.

Darüber hinaus unterstützt die hergestellte zweidimensionale Flash-Speicherzelle schnelle Operationen von 20 Nanosekunden, und der Energieverbrauch pro Bit beträgt nur 0,644 Pikojoule.

Das Team hat ferner eine systemübergreifende Systemdesignmethodik vorgeschlagen, die die kooperative Gestaltung von zweidimensionalen - CMOS-Schaltungen, die systemübergreifende Schnittstellengestaltung zwischen zweidimensionalen und CMOS-Schaltungen usw. umfasst. Dieses Systemintegrationsframework wurde als "Changying (CY - 01) Architektur" benannt.

Das systemübergreifende Systemdesign unterstützt den befehlsgesteuerten Betriebsmodus des zweidimensionalen NOR-Flash-Chips und verfügt über eine 32-Bit-Parallelverarbeitungskapazität und die Funktion des Zufallszugriffs.

Diese Eigenschaften wurden durch den Chip-Test bestätigt: Die Test-Taktfrequenz wurde auf 5 MHz festgelegt, und die Programmierimpulse wurden auf 2,5 Taktzyklen optimiert.

Diese Methode bietet eine zuverlässige Garantie für die Kompatibilität zwischen neuartigen zweidimensionalen Elektronikbauelementen, die von neuen Mechanismen angetrieben werden, und etablierten CMOS-Plattformen.

Das Team ist überzeugt, dass diese systemweiten Ergebnisse einen wichtigen Meilenstein bei der Übertragung der Vorteile der zweidimensionalen Elektroniktechnologie in die praktische Anwendungsbereiche darstellen.

Als nächstes plant das Zhou Peng-Liu Chunsen-Team, ein Experimentierzentrum einzurichten und mit relevanten Institutionen zusammenzuarbeiten, um ein eigenständiges und führendes Industrialisierungsprojekt aufzubauen. Es plant, das Projekt innerhalb von 3 - 5 Jahren auf die Megaskala zu integrieren. Die entstehenden geistigen Eigentumsrechte und IP können an die Partnerunternehmen lizenziert werden.

In Zukunft hofft das Team, dass diese Technologie das traditionelle Speichersystem revolutionieren wird und der universelle Speicher die mehrstufige hierarchische Speicherarchitektur ersetzen wird. Dadurch kann es für die Bereiche wie Künstliche Intelligenz und Big Data eine schnellere und energieeffizientere Datenunterstützung bieten und zweidimensionale Flash-Speicher zur Standard-Speicherlösung in der Ära der Künstlichen Intelligenz werden.

Dieser Artikel stammt aus dem WeChat-Account “Xindongxi”, Autor: ZeR0, Redakteur: Moying. Veröffentlicht von 36Kr mit Genehmigung.