开启计算领域新纪元：超过1000个晶体管的二维半导体材料内存处理器问世

EPFL的研究团队成功创造了一款高能效内存处理器，其独特之处在于由1000多个晶体管组成。这一处理器的突破性能使其能够高效执行向量矩阵乘法运算，标志着计算领域从传统的冯-诺依曼架构迈向了全新的阶段，同时将推动欧洲半导体产业蓬勃发展。

EPFL研究人员首次成功开发了采用二维半导体材料的大规模内存处理器，极大地降低了信息和通信技术领域的能源消耗。当前，全球信息和通信技术（ICT）生态系统的二氧化碳排放量已媲美航空业。然而，该研究团队证明了计算机处理器主要消耗的能源并非用于执行计算，而是在内存和处理器之间传输字节。在11月13日发表于《自然-电子学》（Nature Electronics）杂志上的一篇论文中，EPFL工程学院纳米电子学和结构实验室（LANES）的研究人员介绍了一款革命性的内存处理器，将数据处理和存储整合于一体，彻底解决了能效低下的难题。他们基于二维半导体材料成功创造了首个由1000多个晶体管组成的内存处理器，为工业化生产铺平了道路。

在《自然-电子学》杂志的报道中，EPFL工程学院纳米电子学与结构实验室（LANES）的研究人员详细介绍了这一创举。该内存处理器的问世标志着数据处理和存储的整合，为未来计算领域的发展开辟了新的方向。

冯-诺依曼的传统架构一直是CPU效率低下的主要原因。这种架构将执行计算和存储数据的组件物理上分离，导致处理器需要从存储器中检索数据执行计算，进而需要耗费大量能量。然而，该研究团队的领导者安德拉什-基斯指出，时至今日，人们正努力将存储和处理合并为更通用的内存处理器，从而摆脱传统限制。他们利用二硫化钼（MoS2）这一半导体材料取得了重要突破。

在LANES的《自然-电子学》论文中，博士助理Guilherme Migliato Marega及其合著者详细介绍了基于MoS2的内存处理器，专为数据处理中的基本操作——矢量矩阵乘法而设计。这一运算在数字信号处理和人工智能模型中广泛应用，提高其效率将为整个信息和通信技术领域带来巨大的能源节省。

他们的处理器将1024个元素集成在一厘米见方的芯片上，每个元件包括一个二维MoS2晶体管和一个浮动栅极，后者用于在存储器中存储电荷，从而控制每个晶体管的导电性。这种创新的耦合方式从根本上改变了处理器进行计算的方式，使其更加高效。

该研究团队在MoS2材料的选择上起到了关键作用。MoS2是一种半导体，相较于当前计算机处理器中广泛使用的硅，MoS2形成了一个稳定的单层，仅有三个原子厚，与周围环境的相互作用微弱。这使得MoS2成为制造高度紧凑设备的理想材料。研究团队的工艺在过去13年中不断成熟，从单个晶体管发展到超过1000个晶体管，关键在于他们对沉积材料质量的大量工艺优化。基斯表示：“这使我们能够采用行业标准工具在计算机上设计集成电路，并将这些设计转化为物理电路，为大规模生产打开了大门。”

这一科学成果不仅仅具有纯粹的科学价值，更是对瑞士与欧盟科学合作的有力证明，尤其是在旨在加强欧洲在半导体技术和应用方面的竞争力和适应力的《欧洲芯片法案》的背景下。基斯认为：“欧盟的资助对这个项目至关重要，包括资助第一个MoS2晶体管的工作。这既是对瑞士的认可，也证明了瑞士在电子制造方面的贡献如何使欧