超越硅基：中国首款军用级二维FPGA芯片突破辐射瓶颈

抖音热门 2025年11月05日 16:13 3 aa

一项突破性的半导体研究成果可能将重塑战略和军事电子系统的“生存能力”标准。中国科研团队成功研制出全球首款基于二维材料的工业级现场可编程门阵列（FPGA）芯片。

这一进展的关键在于其核心材料——二硫化钼（MoS2）——所展现出的非凡特性。与传统的硅基电路相比，这种新型FPGA芯片能够承受极高剂量的伽马射线辐射而保持功能完好。这一特性使其成为太空探索、卫星指挥系统和先进武器平台等严苛环境下的理想选择。

该研究成果近日发表于国内权威期刊《国家科学评论》。该期刊将此项工作评价为标志着“二维半导体从简单电路到复杂系统的历史性飞跃”，并强调该芯片因其强大的抗辐射能力，使其“适用于航空航天、军事系统和高可靠性计算等战略领域”。

此次研发由复旦大学的周鹏教授和包文忠教授领导的团队完成。他们不仅成功地制造出单个的二维晶体管，更是攻克了将数以千计的晶体管集成到一块复杂、可运行的FPGA芯片上的巨大工程挑战。这标志着二维材料的独特物理优势，终于从基础实验室的理论可能，转化为了具有工业应用潜力的复杂系统现实。

硅的“阿喀琉斯之踵”与二维材料的解

在现代电子学中，硅是无可争议的基石。然而，在地球的保护性大气层之外，或在核环境中，硅基芯片会暴露出其固有的脆弱性。

太空充斥着高能粒子和伽马射线。当这些辐射穿透航天器并撞击硅芯片时，会产生灾难性后果。高能粒子会“翻转”存储单元中的数据（称为“单粒子翻转”），导致计算错误；更强的辐射则可能导致“单粒子闩锁”，使晶体管卡死并造成永久性短路，烧毁芯片；而长期的总剂量辐射效应则会使芯片性能逐渐退化，直至完全失效。

为了解决这一问题，军工和航天部门目前依赖于“抗辐射加固”（Rad-Hard）技术。这通常涉及使用更旧、更庞大的制造工艺（其较大的晶体管尺寸使其对辐射相对不那么敏感），或为芯片增加沉重的物理屏蔽层。然而，这两种方法都带来了严重的妥协：前者牺牲了计算性能和功耗效率，后者则大大增加了航天器的发射重量和成本。

二维材料，特别是二硫化钼，为这一困境提供了根本性的解决方案。

二硫化钼是一种过渡金属硫化物，其结构可以被剥离至仅有单个分子层厚度。这种原子级别的“薄”赋予了它独特的物理特性。与三维的硅晶格不同，二维材料的超薄结构使其对高能粒子的“撞击”表现出更强的“惰性”。简而言"之，高能粒子更倾向于“穿透”这层薄膜，而不是在其中产生级联的破坏效应。

复旦大学团队的研究证实了这一点。在实验中，即使暴露在高剂量的伽马射线辐射下，这种基于二硫化钼的FPGA芯片仍能继续稳定工作，其抗辐射能力远超传统的硅基电路。这种“与生俱来”的抗辐射特性，使其不再需要沉重的物理屏蔽或在性能上做出妥协。

从“电路”到“系统”：FPGA的战略意义

此次突破的真正意义，并不仅仅在于证明了二硫化钼的抗辐射性，更在于团队成功地用它构建了一个复杂且功能强大的“系统”——FPGA。

在芯片领域，FPGA（现场可编程门阵列）是一种极其特殊的器件。它与CPU（中央处理器）或GPU（图形处理器）不同，后者的功能在出厂时即被固定。FPGA则是一种“硬件可重构”的芯片。它出厂时如同一张“空白画布”，工程师可以通过编程语言，在“现场”（即在实际应用中）将其配置为执行特定任务的专用电路。

这种灵活性使FPGA成为军事和航空航天领域的“宠儿”。首先，它允许系统在部署后进行升级。一颗在轨卫星的电子系统，可以通过地面指令重新配置其FPGA，以适应新的威胁、执行新的任务或修复漏洞。其次，FPGA可以为特定任务（如信号处理、密码学或人工智能算法）提供比通用CPU高得多的性能和效率。

然而，将实验室中的单个二维晶体管，放大并集成到一个包含成千上万个逻辑单元的FPGA上，是一项巨大的工程挑战。这需要确保晶圆级二维材料的均匀性、解决二维材料与传统金属电极之间的接触电阻问题，以及开发全新的制造工艺。

复旦团队的成功表明，他们已经克服了这些障碍，实现了从“简单电路”到“复杂系统”的关键跨越。这款二硫化钼FPGA的问世，证明了二维半导体技术已经具备了制造高可靠性、复杂计算系统的潜力。

这一进展为战略性应用开辟了广阔前景。在近地轨道，大量卫星组成的“星座”（如用于通信或侦察）正面临日益增加的太空天气和潜在的敌对干扰威胁，这种新型芯片可以大幅提高卫星的“生存能力”和在轨寿命。在武器系统中，无论是高超音速导弹的机载计算机，还是在极端战场环境下运行的指挥控制系统，都需要能够在最恶劣条件下保持绝对可靠的电子设备。

虽然距离二维材料全面取代硅基芯片的商业应用还很遥远，但这项研究无疑在中国乃至全球的战略技术竞赛中，开辟了一条极具价值的新赛道。它标志着电子工程正进入一个“后硅基”时代，而材料本身的物理特性，将成为决定未来技术制高点的关键因素。