芯片中的晶体管数量大约每两年会翻番，原因是工程师在不断缩小晶体管的尺寸。然而，随着硅基晶体管的微缩，量子效应的影响将越来越大，延续了50余年的摩尔定律，速度正在不断放缓，曾今作为金科玉律的准绳，已经可预见的难以为继。为了实现相同的电路功能，既然难以通过缩放晶体管尺寸来提升性能，那么是否能另辟蹊径通过减少功能模块必需的晶体管数量来实现更高的集成密度呢？近日，复旦大学的周鹏教授和刘春森青年研究员通过采用新原理的晶体管技术，实现了一种高效率的逻辑计算单元，实现传统硅基逻辑门的相同功能，仅需消耗16%的晶体管数量，并且利用该器件实现了多种图像处理功能。
为了实现高效率的逻辑计算，复旦大学团队在早期的工作中提出了基于二维半导体的单晶体管逻辑器件[1]。众所周知，传统硅基晶体管采用栅极作为“电子开关”，控制晶体管的开启与关闭。因此，为了实现逻辑功能，必须采用多个晶体管构建不同逻辑门。与传统方案不同的是，二维半导体具有独特的双表面沟道特性，通过在单个晶体管的沟道两侧同时施加控制电压，即可实现单晶体管的逻辑计算。在本工作中，研究者利用了双表面沟道的WSe2材料，实现了单晶体管逻辑，不仅如此，通过直接在漏极施加不同电压，该器件还可以在AND和XNOR两种不同的逻辑功能之间切换而不需要额外的控制电路，从而用单个晶体管实现了一个简单的算术逻辑单元。如果将这种器件复用，将从根本上降低处理器的晶体管消耗量，从而提高电路的晶体管利用效率。
图1. 传统逻辑门电路与双表面沟道晶体管逻辑门电路
基于双表面沟道器件的逻辑特性，复旦大学团队构建了图像处理阵列，如图2所示。将图像每个像素二值化后作为输入端，即可实现计算图像交集和相似度的功能。当漏极电压设定为1 V时，器件被调制为“与”门，此时对应计算图像交集功能，当漏极电压设定为5 V时，器件则被调制为“异或”门，对应计算图像相似度功能。与现有的复杂逻辑电路相比，该阵列系统采用单晶体管实现像素处理单元功能，大大减少了电路冗余，提高晶体管的利用率。这种低晶体管消耗的器件设计方案将有潜力解决未来并行计算中的电路冗余问题，实现更高的集成密度。
图2. 基于单晶体管逻辑的图形处理阵列，相比于传统的像素点处理单元（众多逻辑门+选通器），单个晶管逻辑器件即可胜任。
图3展示了该图形处理系统是如何利用单个晶体管进行像素点处理。图3a是具体的电路图，通过将两张图片每个像素点信号分别输入阵列对应晶体管的input 1和input 2，在晶体漏极输入指令信号(1V)将系统功能设定为“寻找图片交集”，此时对应晶体管源极检测到的电流信号即是对应像素点的处理结果。图3b展示了100组随机图片的处理效果，可以看到处理效果非常好，完美找到了各组图片中的公共交集。通过切换指令信号，同一阵列系统将能够进行完全不同的图形处理任务，这样既发挥了并行计算的计算效率优势，同时又避免了并行计算固有的面积冗余问题。
该研究第一作者是复旦大学博士生曾森峰，刘春森青年研究员和周鹏教授为通讯作者。工作得到了国家自然科学基金杰出青年科学基金、青年科学基金，上海市科委、上海市教育发展基金会和上海市教育委员会曙光计划，中国博士后基金的支持。
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
[1] Liu, C. et al. Small footprint transistor architecture for photoswitching logic and in situ memory. Nat. Nanotechnol. 14, 662–667 (2019).
周鹏，教授，博士生导师。复旦大学微电子学院副院长，2019年获得国家自然基金委杰出青年资助，入选万人计划领军人才，2018年入选科技部中青年创新领军人才，同年入选上海市“曙光人才”计划，2016年获国家自然基金委优秀青年资助。2013年获上海市科技“启明星”计划资助。于2000年、2005年分别获复旦大学物理学学士和博士学位。2006-2007年在首尔国立大学Inter-大学半导体高级研究中心任访问学者。
研究方向主要从事集成电路新材料，新器件及新机理，高速非易失性存储器，存算融合新器件新机理，新型逻辑存储集成技术等。主持了国家重大专项课题、自然科学基金、上海市教委科技创新重点项目、973子课题等多项国家部委科研项目。在国际一流学术期刊Nature Nanotechnology，Advanced Materials，Nano Lett，Advanced Functional Materials， ACS Nano， Small，IEEE Electron Device Letters等发表第一作者及通信作者论文90余篇。长期担任Advanced Materials，Small，Nature Nanotechnology，Nature Communications等国际期刊审稿人。组织和受邀国内外学术会议上40余次，包括Nature Conference Keynote报告以及中美华人纳米会议邀请报告。担任中国真空学会常务理事，中国物理学会半导体专业委员会委员，Infomat副主编。
https://www.x-mol.com/groups/peng_zhou
刘春森博士，青年研究员。2015年在吉林大学电子科学与技术学院获得微电子学士学位；2019年在复旦大学微电子学院获得博士学位；2019-2021年在复旦大学计算机学院从事博士后研究；2021年7月至今，以青年研究员身份加入复旦大学芯片与系统前沿技术研究院。
主要从事新材料、新结构、新机理器件设计，包括新型逻辑晶体管、存储器件和存算一体器件，以及对应的芯片集成系统。基于能带结构设计新型存储器，提出了超快准非易失半浮栅存储技术和超快闪存技术；利用层状半导体上下表面沟道均可调制的特性，提出双表面沟道单晶体管逻辑门；在先进制程晶体管技术研究中，验证了具备高性能、低功耗的多桥沟道晶体管和狄拉克源晶体管等。相关工作发表在世界一流期刊和国际顶级会议上，多篇工作被SCI高被引论文、热点论文合集收录，并被人民日报、新华社等多家权威媒体报道。近五年以第一/通讯作者发表论文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)等高水平期刊和会议。
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