张卫应用电子复旦大学周鹏，张卫团队发明单晶体管逻辑结构新原理|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

复旦大学周鹏、张卫团队发明单晶体管逻辑结构新原理

“让一个人干两个人的活，所有事项在一个办公室里处理完成，这样是不是大大提升了效率，节省了成本？这种思路放在集成电路中也是一样的。”复旦大学微电子学院教授周鹏这样说道。

目前，集成电路已越来越紧密地和现代社会的生产生活联系在一起，然而随着晶体管物理尺寸的不断微缩，短沟道效应等负面效应使得漏电流不可避免，功耗大、集成度提高困难、不确定性增加，限制了集成电路的发展。

针对这些问题，复旦大学微电子学院教授周鹏、张卫、曾晓洋携团队与计算机学院教授姜育刚展开合作，发现了新材料在集成电路中的更优应用方案，解决了如何用新材料、新原理和新架构继续延展摩尔定律的难题，实现了电路逻辑结构从无到有的原始创新。

5月27日正值复旦大学114周年校庆日，相关成果以《小尺寸晶体管架构在可光控逻辑和原位存储器中的应用》（“Small footprint transistor architecture for photo-switching logic and in-situ memory”）为题在线发表于《自然•纳米技术》（Nature Nanotechnology）。

单晶体管逻辑结构示意图

“一个人干两人活”，提供“光控开关”切换选项

“我们这项研究工作的核心内容是利用原子晶体硫化钼做出了新结构晶体管。在此基础上，团队发明了单晶体管逻辑结构的新原理。新原理、新结构对原子晶体材料具有普适性。”周鹏解释道。

据介绍，研究团队采用与硅工艺兼容的双栅作为逻辑输入端，通过对创新引入的双导电通道加以独立控制，在单晶体管上实现了逻辑运算的“与”和“或”。

“与”和“或”是构成计算系统的最基本逻辑单元。相比需要通过两个独立晶体管才能实现逻辑功能的传统体材料体系，该研究工作在逻辑门水平上缩小了50%的面积，有效降低了成本。“原先需要两个独立的晶体管才能实现逻辑功能，现在只需要一个晶体管，相当于一个人干两个人的活，这是研究工作的变革性之一。”周鹏补充。

同时研究中还发现了可层数调控的晶体管逻辑特性，并提供光切换逻辑功能的选项。周鹏解释，“简单来说，可光控逻辑相当于我们给逻辑做了一个光控开关，比如说有光照射时可能是‘或’逻辑，那么我们撤掉光线的话它就会切换成‘与’逻辑。当然反过来也是可以的。”

研究证明，该逻辑结构对原子晶体材料具有通用性，不仅适用于研究中已经验证的硫化钼，其它具有原子晶体属性的材料均可利用此架构实现可调控的逻辑功能。

“房间”合二为一，存算一体突破现有架构限制

新的逻辑架构可以通过器件级存算一体路径破解数据传输阻塞瓶颈问题，突破了现有逻辑系统中冯诺依曼架构的限制。对存算一体、原位存储，周鹏打了个比方，“原先我们计算和存储数据需要两个房间跑，而现在所有数据的计算和存储都在同一个房间解决。”

在冯诺依曼架构下，计算和存储是相互分离的。“就好比我们现在有两个房间，房间A专门用来计算数据，房间B用来存储数据,数据在经过计算之后要通过电子借由导线从房间A传输到房间B，这条导线就相当于连接两个房间的走廊。”周鹏解释道。随着技术的发展，数据的计算速度越来越快，与此同时存储速度和传输速度却未能得到同步提升。冯诺依曼架构的限制就主要体现在计算速度、存储速度和传输速度的不相匹配。

“我们假设，房间A已经打包了100份数据，却只有几十份数据能被即时传输出去；又或是房间A已经打包完100份，房间B才刚刚开始存储接收到的前几十份数据，这两种情况都会对数据的处理带来很大限制。”周鹏补充。

存算一体、原位存储的物理架构突破了冯诺依曼架构的限制。在这一架构中，只需要“一个房间”就可实现计算和存储的功能。“房间”内分层工作，第一层负责计算，第二层负责存储，两个表层在垂直空间上形成堆叠。周鹏打比方：“就像两张纸摞在一起，它们在空间上是堆叠着的，数据的计算和存储只是在原地被相对抬高了一些而已。”计算层的沟道电流可以影响到存储层，从而摆脱传输环节，实现原位存储。

充分利用新材料特性，独辟蹊径继续延展摩尔定律

使用钢铁制造轮船、使用硅晶体制造芯片，人类在漫长历史中使用材料的本征属性来改造自然界。但周鹏发现，迄今的原子晶体电子器件研究工作仍然是用新材料模仿旧架构，无法真正发挥其优异的物理本质特性。

为走出窠臼，在着手该项研究的过程中，从材料本质优势出发设计新器件成为了团队的重要出发点。最终，正是超薄、表面无悬挂键等硫化钼特性的充分发挥，帮助其另辟蹊径地实现了集成电路逻辑结构上的革新，开拓了二维材料集成电路应用的新世界。

据周鹏介绍，团队对该工作的研究兴趣源自于目前国家发展对集成电路的重大需求，以及学界业界对延展摩尔定律（英特尔联合创始人戈登•摩尔曾提出集成电路上可容纳的元器件的数量每隔 18 至 24 个月就会增加一倍，性能也将提升一倍）、降低集成电路成本的尝试。单晶体管逻辑结构如果得以继续推进、应用于规模化生产，将推动集成电路往更轻、更快、更小、功耗更低的方向发展，促进集成电路产业的发展。“到那时，人们使用的手机、电脑等设备可能将更轻便、待机时间更长。”周鹏十分看好这一研究成果的发展前景，他表示，团队未来将探讨如何进一步突破冯诺依曼架构的限制。

复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室是研究工作的唯一单位。复旦大学微电子学院博士生刘春森及指导教师周鹏教授为共同第一作者，复旦大学微电子学院教授张卫和周鹏为通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金委优秀青年项目和“集成电路3-5纳米节点器件基础问题研究”应急管理项目资助。

作者：肖暖暖

2019-05-28

硬核！用科技定义抗洪战术

中国小康网独家专稿

文｜《小康》·中国小康网记者陈秋圆

图片／hellorf

防汛抗洪不仅是应急能力的比拼，更是工业、科技体系支撑能力的比拼。在防洪救灾体系建设中，各地近年来加大了大数据、人工智能、超级计算等新一代信息技术的应用，提升防汛监测预警决策的精准度和抢险救灾的时效性，更大程度保障人民群众生命财产安全。

根据应急管理部的数据，主汛期（6月1日）以来洪涝灾害造成湖北、湖南、江西、安徽、四川等27省（区、市）4552.3万人次受灾，142人死亡失踪，3.5万间房屋倒塌，直接经济损失1160.5亿元。与近5年同期均值相比，因灾死亡失踪人数下降56.5%，倒塌房屋数量下降72.4%，直接经济损失下降5.0%。

今年的灾情更加严重，但损失却在下降，其背后离不开迅速而精准的科学防汛工作。

面对凶猛的洪水，高科技正在重新定义新时代的抗洪“战术”。各种科技设备和前沿技术大显身手，让防汛抗洪更智慧、更高效、更科学。

“火眼金睛”发预警

“每年汛期工作都很重，时间基本上持续半年，从5月到10月上旬。原来汛期是6月开始9月结束，但这两年提前了，这主要是按照全年降雨量预测情况来安排的。”在人们还在享受‘五一’假期时，四川省成都市都江堰市应急管理局的陈彬等工作人员已经进入汛期工作模式了，他们主要负责的是都江堰市委市政府总值班室和都江堰应急局应急指挥中心的工作。

岷江从阿坝下来的第一口子便是都江堰，都江堰也是下游成都平原的饮用水源地。这座城市因李冰父子的水利工程闻名世界，而特殊的地理位置和经历过5·12大地震及多次泥石流事件也让这里的人更加警备。“汛期降雨量、降雨时间经气象、水务、国土部门预测出来，各相关部门和沿山乡镇就要提前警戒，做好防止山洪、泥石流、塌方的准备，从人员、物资、装备、技术等方面全面考虑，一旦出现险情灾情，及时应对，将灾害及灾害带来的各种损失减到最小。”

科学防汛工作的要点，第一是大数据系统联动，通过成都市中小河流防汛指挥系统观察全市河道、水库水位，实时监测雨量、水位数据。一旦出现危险雨量预警，都江堰市总值班室（应急局指挥中心）将预警信息以短信的形式发送相关单位负责人，通知关联人员，及时疏散危险区域群众。第二是运用气象服务系统打造防汛千里眼。搭载二维扫描成像仪、大气垂直探测器、闪电成像仪、可见光相机和地球辐射收支仪等各种仪器的气象卫星，经处理形成气象图，助力预警和汛前工作部署。第三是利用可视化技术掌握实时汛情。在灾害易发点，除了有工作人员24小时坚守，山洪防治及防汛预警系统能实时监测河道流量、雨量等情况。第四是依托短信平台，搭建安全保障体系。与电信、联通、移动三大运营商合作，搭建灾情预警、灾情播报短信平台。及时用预警短信通知各镇街道相关人员，并在各社区之间传达。

气象、水文、地质等数据是提前预警和决策的基础。入汛以来，为做好防汛预警和监测工作，许多城市都使用了水文在线监测、无人船、大数据、云计算等科技成果，为科学防汛提供依据。

气象服务是防灾减灾的第一道防线。近年来，我国的气象预报预测技术不断跨越升级，预报预测准确率大幅提升。2019年，我国暴雨预警准确率提高到88%，强对流预警时间提前量达38分钟，台风路径预报水平保持世界领先。其中，风云四号气象卫星在汛情期间持续对水体面积和雨带变化做精准的监测，为天气预报和抗洪抢险决策提供数据支持。

“我们的预警信息是通过非常多的资料，经过人机交互得出来的。资料包括雷达、卫星、地面逐分钟级的几千个气象站的数据，以及计算机模型测算的天气预报资料。”江西省气象局首席预报员许爱华介绍，经过人机交互得出预警的研判，通过预警平台快速地分发到相关部门和广大公众手上。7月11日10时江西省防汛应急响应级别提升至一级。气象数据的实时监测和预警，帮助人们进一步织密了防汛减灾安全网。

科学防汛 进入“七下八上”防汛关键期，许多城市都使用了水文在线监测、无人船、大数据、云计算等科技成果，为科学防汛提供依据。图片／hellorf

水情监测预报也是水灾防御的“参谋”和“耳目”。在河南淮滨水文站，工作人员配备遥测多普勒剖面测流仪，实时监测流域水量，并与上级部门及时共享水文信息。据水利部水文水资源监测预报中心副主任刘志雨介绍，水利部收齐全国12万个报汛站的雨水情信息仅需10—15分钟，一次洪水作业预报时间只需几十分钟。借助新技术手段，水利部还升级完善了洪水作业预报平台、移动会商平台等业务系统，提高了洪水预报效率。

对于地质灾害预警，北斗卫星导航系统会更精准更有效。在地质灾害隐患大的区域，相关部门将载有北斗芯片的设备安装在山体土地上，即使是细微的山体位移，也会被侦测到并发出预警。7月6日，湖南省石门县雷家山发生大型山体滑坡，由于北斗的预警，人员得以提前撤离，避免了伤亡。湖南省常德市自然资源和规划局二级调研员彭建武表示，地质灾害不光是要群测群防，同时也要技防，人防和技防相结合，提高地质灾害监测预警能力。

“智慧大脑”助决策

防汛抗洪是一项复杂的系统工程，依赖各部门联动配合，才能更好完善防汛减灾体系。

在四川都江堰，防汛减灾工作涉及水务、规划与自然资源、气象、住建、公安、应急、综合执法等多部门和所有镇(街道)，实行主要领导负责制。设有防汛抗旱指挥部，负责统一指挥调度防汛工作。除了本地各部门的联动之外，都江堰还和上游的四川阿坝、汶川做好防汛工作对接，共享防汛信息，跨地区联动。

在此次抗洪救灾前线，解放军的信息方舱不但能以战时状态实时对救援分队发出行动指令，还可以综合多方天气、水文等信息对汛情进行研判。信息方舱成为决策的“智慧大脑”。汛情期间，“智慧大脑”实现了比人工更精准的计算与预警。

随着5G和人工智能等技术的发展和“智慧城市”的推进，不少城市和部门建起了自己的“智慧大脑”系统。

在上海，“防汛防台指挥系统2.0版”入汛后上线，防汛防台工作被纳入“一网统管”，通过统一的在线平台实现了自动监测积水动态、信息实时共享、智能调度指挥、多部门联动响应。

在浙江，建德市的新安江水库7月8日首次9孔全开泄洪。不同于以往靠人工收集数据，建德市“城市大脑”平台归集水利、气象等380余万条数据，借助强大计算力，实现线上实时监控与提前预警，大幅缩短了救灾决策时间。

在江西，省防汛抗旱指挥部启用“智慧水利专家会诊”系统，200余名专家使用系统巡堤查险600余次，发现险情1600余处。省水利系统则充分运用水文在线监测、无人船、无人机区域组网、大数据、云计算等一系列智慧水利的成果，提前预测、查险会诊。

在安徽，依托省级水利信息共享平台、基层防汛监测预警平台等信息化载体，全省水利信息的“云、管、端”全面打通。在安徽省水利厅指挥大厅的屏幕上，是一张色彩斑斓的电子地图，集成安徽省雨量、水位、水质等共计8000余个自动信息采集站采集的信息，接入1300余个各类视频监控站点。闸坝、河道、水库等水利设施标注着红黄等不同颜色代表不同的水位情况。一旦有监测对象超过阈值，系统便会自动报警。

防汛监测系统监确实使得收集数据和预警变得更方便，相关系统的日常检修、维护还是得跟上。除了这些非工程措施外，还要注意维修加固河道堤防、水库坝体等水利设施，整治山溪河道及地质灾害隐患点位，做好河道清淤，清理疏通排水管网等工程措施工作。数据预警与实地工作相结合，工程措施和非工程措施相结合，才能实现科学防汛。

事前事中事后，一步都不能少

进入“七下八上”防汛关键期，各地防汛救灾工作有序有力推进。相比以往，越来越多的抗洪科技利器被运用到抗洪抢险一线，防汛机械化、信息化甚至智能化，让抢险救援更加科学高效。

在多地防汛实践中，无人机成为抗察救援队的“标配”，被大量使用来进行侦察和确定灾情信息。它具有反应速度快、侦察范围广、不受地形限制等独特优势，能把灾害现场的高清图片和视频传回指挥中心。如果有人员被困，无人机可利用其搭载的装备开展搜索、定位和救援工作，例如旋翼无人机能在救援人员无法及时到达时给被困人员投送水、食物、药品等必要物资。如果搭载夜视设备，无人机可实现全天候救援。

受洪水影响，一些堤坝发生溃堤，还有道路和桥梁受损，从而影响道路交通以及后续的救援物资和人员的抵达。应急硬质机动路面用于在泥泞、沼泽等低承载能力的地段铺设临时路面，保障轮式或履带式装备通过。动力舟桥作用与渡船类似，可快速拼装与分解，能通过水路直接将大型挖掘机、推土机等施工机械运至决口处，大大提升封堵作业效率。7月8日，江西省鄱阳县鄱阳镇问桂道圩堤发生漫决。在现场测量中，抢险人员使用了三维激光扫描仪等仪器。机器测量的效率是人工的数十倍，同时测量的精准度更高，有助于更快、更精准地拿出具体抢险方案，提高施工效率。在抢险人员连续奋战83小时后，127米宽的决口成功合龙。在很多堤坝现场，我们经常能看到救援人填沙包的画面。在洞庭湖大堤附近，砂石打包机一小时装900袋砂石，相当于60个人力；抢险船运载上千乃至数千吨砂石，自动装卸、远距投放，效率超过人工千百倍。这些装备在相当程度上减轻了肩挑背扛“肉搏式”的抢险压力。

防汛离不开一线救援人员，他们是有生力量，同样需要得到进一步保护，如利用科技装备和专业设备、救生衣和救生腰带增强安全保护。在江西九江江洲镇抢险现场，抗洪官兵除了身着救生衣，腰间还系了一条5厘米宽的气胀式救生腰带。如果不慎落水，只需拉开充气阀门，储气罐中的高压气体会将气囊迅速充满，变成围在腰间的一个救生圈。

“要实现科学防汛，保障措施也很重要，包括人力、资金、物资等。”都江堰市水务局办公室主任张卫总结，科学防汛应做到：防汛应急指挥调度要迅速运转通畅、工程措施要排查治理到位、非工程措施要监测精准可靠，抢险救灾要迅速高效全力降低伤亡。“汛前准备充分、汛中应对有序、汛后排查到位，才是真正实现科学防汛。”

（《小康》•中国小康网独家报道）本文刊登于《小康》2020年8月下旬刊