引领国际风气之先，为后摩尔时代晶体管技术发展提供科学依据｜2024上海市科学技术奖

破局的关键

1947年晶体管出现后，其形态和材料一直在变化，进入21世纪后，随着晶体管尺寸接近原子级别，会出现量子隧穿效应，即电子会“乱跑”。与此同时，纳米级别的芯片研发和制造成本呈指数级增长。

探索新原理晶体管技术成为破局关键。二维半导体凭借原子级尺度下的卓越特性，以及与硅技术异质集成的兼容性等优势，成为具有强竞争力的候选材料体系，甚至从物理角度被认为可能是晶体管终极形态。美国、欧盟等国家都将其列为重要攻关方向，并投入建设了二维先导试验线。

周鹏团队从2008年起就在这一全新领域深耕，提出了三个重要的科学发现。

晶体管发展新方向

晶体管越小，越节省空间、能耗和成本，但对于硅而言，遭遇了尺寸缩小的物理极限。“能否转换一下思路？如果少用一些器件，相当于提高了集成密度。这好比原来5个人干的活，现在1个人就可以做了。”周鹏告诉解放日报记者，传统硅材料只有一条“公路”供电子流动，而二维半导体材料可构成两条“高速公路”，突破了场效应的限制，加速了电子的流动。中国科学院院士张跃对此评价：“这种高效的器件结构也被认为是二维材料最具发展优势的应用之一。”

存算分离的传统计算机架构在大数据时代面临严峻能效挑战。受生物系统信号处理与存储记忆相融合的工作模式启发，存算融合的类脑神经形态技术有望提升计算能效。

“我们一直在思考，有了‘高速公路’，如何实现对‘车流’（电子流动）的自由控制？我们利用局域场让它跑得更快或更慢，晶体管就不仅仅是‘电子开关’，而变成了‘神经元’——响应外界刺激，从而具有感知能力。”周鹏介绍，团队对“车流”的自由调控，早在2019年就达到世界最高水平，构建了存算融合的类脑神经形态晶体管，突破了存算分离的功耗瓶颈。

晶体管的多功能集成可以为超越摩尔发展提供新方案。但现有系统的数据传感、传输转换、处理和存储均需独立模块，从而导致功耗瓶颈。周鹏团队打造出集成感知-存储-计算多功能的“全在一”器件，实现了更为高效的计算范式。

“受人类视网膜架构启发，我们把对光的感知、存储和计算能力做在了一个晶体管上，在纳秒内就能感知光学信号。”周鹏说，这是国际上首次用一个极小的器件（约一个像素点大小），在纳秒内（1纳秒=10亿分之一秒，比人眨眼快几千万倍），处理图像的动态变化。

这一获奖项目为后摩尔时代晶体管发展指明了新方向。