近日，紹芯實驗室周鵬、包文中聯合團隊在二維半導體集成電路領域取得重大突破，成功研制出全球首顆基于晶圓級二維半導體材料的現場可編程門陣列（以下簡稱：FPGA）芯片。這項研究成果發表于《國家科學評論》，標志著我國在新一代抗輻射、可重構電子系統芯片研發中邁出關鍵一步。 如果把傳統芯片比喻成固定玩具，那么FPGA類似于靈活多變的積木，“拼接”的過程就是編程。它被稱為萬能芯片，具備性能高、成本低、靈活性、擴展性、開發周期短、長期維護等優勢。 “二維半導體領域首次實現如此高復雜度的可編程系統。”紹芯實驗室相關負責人表示，這款創新芯片擁有包含約4000個晶體管的FPGA電路。電路包含9個可配置邏輯塊、路由資源和內存陣列。芯片通過配置內存陣列中的290個配置位，在無需改變硬件結構的前提下，實現多種邏輯功能。這證明了系統的可重構性，即“一次制造，多次編程”的能力。 芯片以二硫化鉬作為基材，厚度僅0.7納米，比頭發絲細百萬倍。芯片集成了約4000個晶體管，成功實現了二維半導體從簡單邏輯電路向復雜可重構功能系統的歷史性跨越。“團隊之前開發的全球首款基于二維半導體材料的32位微處理‘無極’芯片采用全數字電路設計，與之不同，這款新型FPGA芯片將2T存儲器集成到二維數字工藝中，首次實現了不同種類電路的單次流片產出。”團隊負責人說。 在性能方面，該芯片展現出卓越的抗輻射能力。這一突破性表現驗證了二維材料在抗輻射領域的獨特價值，為解決航空航天領域電子元器件的輻射防護難題提供了全新方案。傳統硅基芯片在太空中需要厚重的屏蔽層來抵抗輻射，而二維芯片憑借其材料特性，能顯著減輕航天系統的重量和設計復雜度。 在制造工藝上也實現了重要創新。團隊采用柔性等離子處理技術等低能量工藝，對二維半導體表面進行精細加工。團隊研究人員形象地比喻：“如果把制造硅基芯片比作在石頭上雕刻，那么二維芯片就是在一塊豆腐上雕花。”這種精細工藝確保了二維材料的完整性，為芯片性能的穩定性奠定了基礎。 這款二維FPGA芯片的未來應用前景廣闊。除了在航空航天領域的重要應用外，該芯片也適用于人工智能推理、邊緣計算及物聯網設備。芯片的可重構特性允許用戶通過硬件描述語言快速配置邏輯功能，避免了定制專用芯片的高成本和長周期，這將顯著加速產品從設計到市場的進程。特別是在AI計算領域，FPGA的可重構性適合AI模型的硬件加速，芯片結構有助于突破“內存墻”，提升AI能效。 “這項突破在新材料芯片研發領域贏得了競爭優勢。隨著后續研發的持續推進，二維半導體技術有望在更多關鍵領域發揮重要作用。”團隊負責人說。 這項研究的產業化前景令人振奮。團隊開發的二維半導體集成工藝中，70%左右的工序可直接沿用現有硅基產線成熟技術，為大規模生產鋪平了道路。該研究未來有望在越城的產業園區進行工藝優化和中試轉化。 “隨著二維芯片技術的不斷成熟，研究團隊未來將推進與硅基產線兼容的集成工藝研發，深化與產業伙伴的協同合作，加速二維芯片從實驗室原型走向高價值市場應用的轉化進程，為半導體產業的創新升級注入新動能。”團隊負責人表示。
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