南京大学王欣然团队Nature Electronics :二维半导体新突破!MAGIC-1000计算机问世,集成近万晶体管实现并行运算

📧 通讯作者: Hao Qiu（南京大学集成电路学院）；Chunsong Zhao（南京大学集成电路学院）；Xinran Wang（南京大学电子科学与工程学院）

相关研究成果以"A bit-parallel molybdenum disulfide computer built through multi-level co-optimization"为题发表在Nature Electronics上。

图1 | MoS2计算机。a，计算机物理布局的三维等比例渲染示意图（除z轴外所有尺寸均按比例，z轴放大以清晰显示各垂直层），MoS2晶体管物理位于堆叠顶部，下方有四层金属布线。b，所制备MoS2计算机的照片，由白色框内的四个模块组成，即ID、ALU、MUX和寄存器堆。比例尺，50 μm。c，选定标准单元——数据触发器（DFF）的伪彩色显微图像。D型（绿色）晶体管位于第一行，E型（红色）晶体管位于其他行。比例尺，10 μm。d，D型和E型晶体管结构示意图。e，扫描电子显微镜图像显示通过多层金属互连的多个晶体管。比例尺，2 μm。f，所制备MoS2晶体管的高角环形暗场截面透射电子显微镜和能量色散谱图像。比例尺，0.5 μm。FET，场效应晶体管。图2 | 多层协同优化。a，计算机版图照片，展示使用两层金属（0.53 × 0.51 mm²）和四层金属（0.39 × 0.37 mm²）可实现的最小芯片面积。b，归一化最小芯片面积随金属层层数（二至五层）的变化，均相对于两层基线，显示三层、四层和五层金属分别实现38%、47%和48%的面积缩减。c，插入由两个级联反向器组成的缓冲器后的单元对（NAND2和NOR3）电路原理图。d，缓冲器插入前后驱动单元（NAND2）的电压传输特性（VTC）和负载单元（NOR3）的镜像VTC，显示仿真得到的噪声容限（NM）。缓冲器插入技术可有效增大NM。e，无缓冲器和有缓冲器插入（不同NMC值）设计中，10,000次蒙特卡洛试验的最小NM累积分布。水平轴归一化至VDD，显示NM占VDD的分数。这些结果用于确定在要求NM为VDD/9时的pNMS，其中pNMS是所有单元对均满足NM要求的试验比例。f，以XOR单元为例，两行（左）与三行（右）设计的版图比较。g，采用两行和三行设计的计算机中，通孔数量、芯片面积和晶体管密度的比较。h，两英寸晶圆上1200个MoS2晶体管提取的Vth热图。i，这些晶体管在Vds = 0.05 V下的Id–Vgs特性。高亮曲线显示典型特性。j，这1200个晶体管的ΔVth、Ion和SS的统计分布。图3 | 模块验证。a，101级环形振荡器（RO）的电路原理图和照片。b，在VDD = 3.41 V时测得的RO功率谱，显示工作频率为98 MHz。c，基于二维材料的RO在级数和工作频率方面的比较。灰色虚线表示不同的单级延迟。d–g，计算机中四个已制备模块（ID（d）、MUX（e）、ALU（f）和寄存器堆（g））的电路原理图（上）和照片（下）。比例尺，60 μm。h–k，这四个模块的实测输出波形：ID（h）、MUX（i）、ALU（j）和寄存器堆（k）。测量时VDD为3.3 V，时钟频率为1 kHz。输入波形显示在补充图15中。图4 | MoS2计算机的架构设计与电学测量。a，框图展示MAGIC-1000的组织结构，包括指令译码、寄存器读取、执行和写回阶段。b，MAGIC-1000在VDD = 3.3 V时的实测波形。结果表明在1 kHz时钟频率下功能正确。指令集表参见补充表2。c，一个示例测试程序的流程图。d，基于非硅新兴材料和硅制备的计算机的集成密度与晶体管数量的比较。e，根据输出波形实测上升时间（tr）和下降时间（tf）估算的最大时钟频率（fmax），定义为fmax = 0.5 / max(tr, tf)，得到估计的fmax为43 kHz。

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