全球首颗二维现场可编程门阵列芯片

【导语】全球集成电路产业遭遇摩尔定律物理极限挑战，二维半导体成破局关键。近日，复旦大学周鹏、包文中团队成功研制全球首款基于晶圆级二维半导体材料的FPGA芯片，集成(chéng)约(yuē)4000个(gè)晶(jīng)体(tǐ)管(guǎn)，实(shí)现(xiàn)从(cóng)简(jiǎn)单(dān)逻(luó)辑(ji)电(diàn)路到(dào)复(fù)杂(zá)可(kě)重(zhòng)构(gòu)系(xì)统(tǒng)的(de)跨(kuà)越(yuè)，且(qiě)具(jù)备(bèi)抗(kàng)辐(fú)射(shè)性(xìng)能(néng)，为(wèi)我(wǒ)国(guó)战(zhàn)略(è)关键领(lǐng)域提(tí)供(gōng)核(hé)心(xīn)器(qì)件(jiàn)，标(biāo)志(zhì)着(zhe)我(wǒ)国(guó)在(zài)相(xiāng)关芯(xīn)片(piàn)研(yán)发(fā)上(shàng)迈(mài)出(chū)关键一步。

全球集成电路产业正面临摩尔定律的物理极限挑战，原子层厚度的二维半导体是国际公认的关键破局方案。近期，复旦大学周鹏、包文中联合团队在二维半导体集成电路领域再次取得全球领先的重大突破——成功研制出全球首款基于晶圆级二维半导体材料的现场可编程门阵列（FPGA）。这款芯片集成了约4000个晶体管，实现了二维半导体从简单逻辑电路向复杂、可重构功能系统的历史性跨越。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review）。

特别值得关注的是，该2D FPGA展现出抗辐射性能，能够承受高达10 Mrad的伽马射线辐照并保持功能完整，为我国在航空航天、军事以及高可靠性计算等战略关键领域提供了具备固有物理优势的核心器件。

相比传统硅基芯片，二维材料具有原子级厚度和高比表面积的固有物理优势，能够有效抵御电离辐射损伤。高达10 Mrad的总电离剂量测试结果显示，核心逻辑模块在辐照后依然保持功能完整。这一成果为我国在高可靠性电子元件领(lǐng)域提供了基于新材料的技术路线，能显著减轻航天系统中对厚重外部屏蔽层的依赖。

通过采用行业标准的设计流程，团队已在同一块 2D FPGA 芯片上充分展示了其可重构性和实用性。

基于二维过渡金属硫化物的现场可编程门阵列（FPGA）。(a) 4英寸二硫化钼晶圆照片，及连续晶圆级二硫化钼薄膜上10个随机位置的拉曼光谱。(b) 2D FPGA单元的局部扫描电镜图像（左）与E-D型NMOS逻辑的3D结构示意图（右）。(c) 2D FPGA的逻辑电路设计图。(d) 2D FPGA的光学显微镜图像；其中CLB指可配置逻辑块，I/O为输入/输出端口，DFF表示D触发器。

该项研究成果有力证明了二维半导体器件不仅可用于基础逻辑运算，更具备构建大规模、高可靠性、可重构系统的潜力。它标志着我国在新一代抗辐射、可重构电子系统芯片研发方面迈出了关键一步。未来团队将依托已构建的核心技术体系，通过与硅基产线兼容的集成工艺，加强与产业伙伴的深度合作，加速2D 芯片从实验室到高价值市场的转化速度 。