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晶片中的電晶體數量大約每兩年會翻番，原因是工程師在不斷縮小電晶體的尺寸。然而，隨著矽基電晶體的微縮，量子效應的影響將越來越大，延續了50餘年的摩爾定律，速度正在不斷放緩，曾今作為金科玉律的準繩，已經可預見的難以為繼。為了實現相同的電路功能，既然難以透過縮放電晶體尺寸來提升效能，那麼是否能另闢蹊徑透過減少功能模組必需的電晶體數量來實現更高的整合密度呢？近日，復旦大學的周鵬教授和劉春森青年研究員透過採用新原理的電晶體技術，實現了一種高效率的邏輯計算單元，實現傳統矽基邏輯閘的相同功能，僅需消耗16%的電晶體數量，並且利用該器件實現了多種影象處理功能。
為了實現高效率的邏輯計算，復旦大學團隊在早期的工作中提出了基於二維半導體的單電晶體邏輯器件[1]。眾所周知，傳統矽基電晶體採用柵極作為“電子開關”，控制電晶體的開啟與關閉。因此，為了實現邏輯功能，必須採用多個電晶體構建不同邏輯閘。與傳統方案不同的是，二維半導體具有獨特的雙表面溝道特性，透過在單個電晶體的溝道兩側同時施加控制電壓，即可實現單電晶體的邏輯計算。在本工作中，研究者利用了雙表面溝道的WSe2材料，實現了單電晶體邏輯，不僅如此，透過直接在漏極施加不同電壓，該器件還可以在AND和XNOR兩種不同的邏輯功能之間切換而不需要額外的控制電路，從而用單個電晶體實現了一個簡單的算術邏輯單元。如果將這種器件複用，將從根本上降低處理器的電晶體消耗量，從而提高電路的電晶體利用效率。
圖1. 傳統邏輯閘電路與雙表面溝道電晶體邏輯閘電路
基於雙表面溝道器件的邏輯特性，復旦大學團隊構建了影象處理陣列，如圖2所示。將影象每個畫素二值化後作為輸入端，即可實現計算影象交集和相似度的功能。當漏極電壓設定為1 V時，器件被調製為“與”門，此時對應計算影象交集功能，當漏極電壓設定為5 V時，器件則被調製為“異或”門，對應計算影象相似度功能。與現有的複雜邏輯電路相比，該陣列系統採用單電晶體實現畫素處理單元功能，大大減少了電路冗餘，提高電晶體的利用率。這種低電晶體消耗的器件設計方案將有潛力解決未來平行計算中的電路冗餘問題，實現更高的整合密度。
圖2. 基於單電晶體邏輯的圖形處理陣列，相比於傳統的畫素點處理單元（眾多邏輯閘+選通器），單個晶管邏輯器件即可勝任。
圖3展示了該圖形處理系統是如何利用單個電晶體進行畫素點處理。圖3a是具體的電路圖，透過將兩張圖片每個畫素點訊號分別輸入陣列對應電晶體的input 1和input 2，在晶體漏極輸入指令訊號(1V)將系統功能設定為“尋找圖片交集”，此時對應電晶體源極檢測到的電流訊號即是對應畫素點的處理結果。圖3b展示了100組隨機圖片的處理效果，可以看到處理效果非常好，完美找到了各組圖片中的公共交集。透過切換指令訊號，同一陣列系統將能夠進行完全不同的圖形處理任務，這樣既發揮了平行計算的計算效率優勢，同時又避免了平行計算固有的面積冗餘問題。
圖3. 圖形處理系統的操作流程以及圖形處理效果。
該研究第一作者是復旦大學博士生曾森峰，劉春森青年研究員和周鵬教授為通訊作者。工作得到了國家自然科學基金傑出青年科學基金、青年科學基金，上海市科委、上海市教育發展基金會和上海市教育委員會曙光計劃，中國博士後基金的支援。
An application-specific image processing array based on WSe2 transistors with electrically switchable logic functions
Senfeng Zeng, Chunsen Liu, Xiaohe Huang, Zhaowu Tang, Liwei Liu & Peng Zhou
Nat. Commun., 2022, 13, 56, DOI: 10.1038/s41467-021-27644-3
參考文獻：
[1] Liu, C. et al. Small footprint transistor architecture for photoswitching logic and in situ memory. Nat. Nanotechnol. 14, 662–667 (2019).
研究團隊簡介
周鵬，教授，博士生導師。復旦大學微電子學院副院長，2019年獲得國家自然基金委傑出青年資助，入選萬人計劃領軍人才，2018年入選科技部中青年創新領軍人才，同年入選上海市“曙光人才”計劃，2016年獲國家自然基金委優秀青年資助。2013年獲上海市科技“啟明星”計劃資助。於2000年、2005年分別獲復旦大學物理學學士和博士學位。2006-2007年在首爾國立大學Inter-大學半導體高階研究中心任訪問學者。
研究方向主要從事積體電路新材料，新器件及新機理，高速非易失性儲存器，存算融合新器件新機理，新型邏輯儲存整合技術等。主持了國家重大專項課題、自然科學基金、上海市教委科技創新重點專案、973子課題等多項國家部委科研專案。在國際一流學術期刊Nature Nanotechnology，Advanced Materials，Nano Lett，Advanced Functional Materials， ACS Nano， Small，IEEE Electron Device Letters等發表第一作者及通訊作者論文90餘篇。長期擔任Advanced Materials，Small，Nature Nanotechnology，Nature Communications等國際期刊審稿人。組織和受邀國內外學術會議上40餘次，包括Nature Conference Keynote報告以及中美華人奈米會議邀請報告。擔任中國真空學會常務理事，中國物理學會半導體專業委員會委員，Infomat副主編。
https://www.x-mol.com/groups/peng_zhou
劉春森博士，青年研究員。2015年在吉林大學電子科學與技術學院獲得微電子學士學位；2019年在復旦大學微電子學院獲得博士學位；2019-2021年在復旦大學計算機學院從事博士後研究；2021年7月至今，以青年研究員身份加入復旦大學晶片與系統前沿技術研究院。
主要從事新材料、新結構、新機理器件設計，包括新型邏輯電晶體、儲存器件和存算一體器件，以及對應的晶片整合系統。基於能帶結構設計新型儲存器，提出了超快準非易失半浮柵儲存技術和超快快閃記憶體技術；利用層狀半導體上下表面溝道均可調製的特性，提出雙表面溝道單電晶體邏輯閘；在先進製程電晶體技術研究中，驗證了具備高效能、低功耗的多橋溝道電晶體和狄拉克源電晶體等。相關工作發表在世界一流期刊和國際頂級會議上，多篇工作被SCI高被引論文、熱點論文合集收錄，並被人民日報、新華社等多家權威媒體報道。近五年以第一/通訊作者發表論文19篇，包括Nature Nanotechnology(5篇)、Nature Communications(1篇)、Advanced Materials(1篇)、Advanced Functional Materials(1篇)、Nano Letter(1篇)、Small(2篇)和IEDM(1篇)等高水平期刊和會議。
