布局新材料存儲計算實現新領域跨越發展

周鵬

集成電路工業水平和規模是引領新一輪科技革命和產業變革的關鍵力量，是一個國家綜合國力的標記和戰略競爭制高點，集成電路芯片基礎創新決定未來集成電路產業格局。其中存儲和計算（邏輯、模擬）芯片在集成電路產業中占據核心地位。

當前，大數據、云計算、超級計算、人工智能等技術的發展對集成電路存儲和計算芯片提出了更高要求。基于傳統硅基半導體材料的存儲計算芯片遭遇的“存儲墻”和“功耗墻”問題日趨嚴峻，而順勢涌現的一些新興半導體材料，例如石墨烯、硫化鉬此類二維層狀半導體材料憑借獨特的電學、光學特性，在新型存儲及計算電子器件和芯片系統應用中展現出無限潛能，并且目前國際社會對它們在存儲及計算領域中的實際應用仍處于探索階段，

為擺脫我國集成電路核心芯片依賴進口的歷史困境，我們應該抓住時代機遇，積極提前布局下一代新材料存儲和計算，盡快掌握新材料存儲計算應用核心技術和專利，在基于新材料的存儲計算領域實現跨越發展。

以存儲器為例，傳統存儲元件操作速度等性能的提升受到材料和結構的本質限制，存儲性能只能以每年10%左右的速度提升，而處理單元性能則以每年約55%的速度快速提升，長期累積導致了存儲和計算速度的嚴重失配。此外，傳統存儲單元面臨著數據快速寫入與長時間保存的不可共存難題，這兩者共同在集成電路存儲芯片領域砌建起一面“存儲墻”。豐富且靈活可調的下一代半導體新材料為新型存儲設計提供了獨特的解決方案，我國科研團隊在此方面也具備一定經驗及科學積累，包括通過引入PN結、局域場調制等技術手段，實現了納秒級超快非易失存儲器件，并且逾越了長期固存的存儲器操作速度及保持時間技術鴻溝，奠定了我們在新材料存儲應用領域的國際領先水平。

此外，隨著集成電路工藝尺寸微縮接近物理極限，基于傳統半導體材料的器件性能、芯片集成密度、能效的提升均進入瓶頸階段，新的推進動力將來源于下一代新材料的引入及應用。并且，在大數據、人工智能時代背景下，以數據為中心的應用場景不斷涌現，如圖像識別、語音轉譯、自動駕駛等。這些任務要求數據頻繁地進行交互通信，給當前計算和存儲分離的系統帶來大量冗余的能量損耗，加劇“功耗墻”難題。通過充分發掘下一代半導體新材料特性優勢，探索突破傳統CMOS能耗極限的新器件、設計存算融合元器件及芯片，為打破“功耗墻”提供了可能。針對這一目標，我國研究人員利用下一代半導體新材料開展了包括單晶體管邏輯、感存算一體、神經擬態器件及存內計算、人工通用智能芯片等創新研究，同樣走在了國際前列。

我國在基于下一代半導體新材料的存儲計算應用領域已具備研究基礎，并博得先機，隨著國家政策的進一步支持，深入布局下一代新材料應用，革新傳統存儲計算元器件，必將支撐我國集成電路存儲計算芯片集成度、能效、功能融合持續提升，有望擺脫集成電路存儲計算芯片依賴進口的困境，全面實現物聯網、人工智能、大數據、航空航天等國家重要應用領域中高性能芯片的自主研發。