二维颠覆性器件如何走向芯片应用？复旦大学周鹏 - 刘春森团队在今年 4 月完成 " 破晓 " 二维闪存原型器件研发（相关成果刊登于《自然》杂志）的基础上，再次实现突破，将二维超快闪存与成熟硅基 CMOS 平台深度融合，率先实现全球首颗二维 - 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。

这一成果可被视为二维应用工程化的里程碑，更为新一代颠覆性器件缩短应用化周期提供范例，将有助于推动信息技术进入全新的高速时代。相关成果以《全功能二维 - 硅基混合架构闪存芯片》为题发表于最新一期的《自然》。

右侧为世界首颗二维 - 硅基混合架构闪存芯片，包括二维闪存器件结构、8 英寸流片 CMOS 晶圆、二维 - 硅基混合架构闪存芯片。（左侧为半导体晶体管从原型器件到第一款 CPU，点接触晶体管照片来源：Computer History Museum，英特尔 4004 CPU 照片来源：Wikipedia Intel 4004。）

信息的存储速度极限是人工智能发展的重要瓶颈问题之一，也是集成电路领域最关键的基础科学问题之一。

但是，高性能存储器往往是速度、功耗和集成度的平衡，简言之，速度、功耗和集成之间很难同时将三者做到极致。

今年 4 月，复旦大学集成电路与微纳电子创新学院、集成芯片与系统全国重点实验室周鹏 - 刘春森团队就在《自然》提出 " 破晓 " 二维闪存原型器件，实现了 400 皮秒超高速非易失存储，这是迄今最快的半导体电荷存储技术。可以说，" 破晓 " 在速度和功耗两个方面同时实现了突破。

但是二维半导体厚度仅有 1 – 3 个原子，如同薄翼般，纤薄而脆弱，而集成电路芯片即便看上去再平滑，表面也有纳米级的高低起伏。如何将 " 破晓 " 二维原型器件工程化并与成熟的 CMOS 电路集成，对科学家而言是巨大挑战。

周鹏 - 刘春森团队融入产业链，此次研发的 " 原子芯片（ATOM2CHIP）" 系统集成框架，让原子级器件真正走向功能芯片。团队提出片上二维全栈集成工艺，通过模块化集成方案，将二维存储电路与成熟 CMOS 电路分离制造，最后与 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，并且进一步提出了跨平台系统设计方法论实现混合架构兼容运行，包含二维 -CMOS 电路协同设计、二维 -CMOS 跨平台接口设计等。芯片集成良率高达 94.3%，支持 8-bit 指令操作，32-bit 高速并行操作与随机寻址。

过去，颠覆性器件真正走向系统级应用，往往是一场漫长的马拉松。半导体晶体管自 1947 年诞生起，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，才终于催生出全球第一颗 CPU。此次周鹏 - 刘春森团队最新成果在集成方面取得巨大突破，将新一代颠覆性器件直接融入成熟的硅基 CMOS 工艺平台，使得原本需要数十年的积累过程得以大幅压缩。

复旦大学集成电路与微纳电子创新学院、集成芯片与系统全国重点实验室研究员刘春森和教授周鹏为论文通讯作者，刘春森研究员和博士生江勇波、沈伯佥、袁晟超、曹振远为论文第一作者。

研究工作得到了科技部、教育部、国家自然科学基金委、上海市科委等项目和科学探索奖的资助，以及教育部创新平台的支持。