二硒化钨助芯片小型化高速化发展

随着人工智能、物联网、边缘计算等新兴电子应用产业的蓬勃发展，对信息高效处理的需求愈发迫切，南京大学物理学院教授缪峰团队利用二维层状半导体材料二硒化钨，成功打造二维可重构器件，实现数字和类脑电路的减负，有利于推进未来芯片小型化与高速化的发展。相关研究成果发表在《自然—电子学》。

目前主流的可重构电路是基于传统的硅基电路，其中的P型或N型场效应器件具有单一的电学特性，一旦制备成功，其场效应特性再无法通过电学操作实现动态转换。只有通过耗费大量的晶体管资源构建复杂的电路结构，才能在电路层面实现可重构的计算能力。因此，工业界和学术界亟须寻找全新的电子技术来构建能够满足未来发展需求的可重构电路。

研究团队利用二维层状半导体材料二硒化钨的双极性场效应特性和可变的漏端电压极性，设计出一种具有分立栅结构的电场可调的二维同质结器件，该可调同质结器件（ETH）总共会表现出23种电流开关状态，实现包括P型场效应晶体管、N型场效应晶体管、正偏二极管、反偏二极管等多种开关功能。

将2个ETH器件进行串联，可以构建一个基本逻辑单元，通过对3个逻辑单元进行级联（共6个ETH器件），研究人员设计和实现了一种可重构逻辑电路。通过重构信号输入方式，该电路能执行包括加法器、减法器、2：1多路选择器、D—锁存器等微处理器常用的逻辑功能。

缪峰表示，采用传统硅基互补逻辑技术，需要耗费28个晶体管才能构建出可执行加法器逻辑功能的电路。而基于ETH器件设计的可重构逻辑电路，不仅能大幅节省晶体管资源，且输出信号质量与工作频率不逊于传统硅基技术。

除了构建可重构的逻辑电路之外，研究人员还将ETH器件应用到神经形态电路方面，利用3个EHT器件和一个电容元件设计可重构的突触电路，实现了对生物突触的时间脉冲依赖可塑性功能的模拟，以及对赫布学习规则和反赫布学习规则的模拟。而传统硅基场效应晶体管的器件需要耗费大量的资源（超过10个晶体管）才能实现模拟生物突触功能的电路，这在很大程度上限制了传统类脑芯片的集成密度。

缪峰介绍，研究团队通过二硒化钨设计的可调同质结器件，可以在确保器件与电路都具有可重构功能的同时，大幅降低电路晶体管资源的消耗。这样既有利于芯片的小型化和提升功能密度，又能够降低芯片的整体能耗，有望为物联网、边缘计算、人工智能等应用的快速发展提供助力。

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