電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/吳子鵬） 近日，復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周鵬、包文中聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功研制出全球首款基于二維半導(dǎo)體材料的 32 位 RISC-V 架構(gòu)微處理器 ——“無(wú)極（WUJI）”。

“無(wú)極” 芯片，圖源：復(fù)旦大學(xué)

據(jù)悉，該成果于北京時(shí)間 4 月 2 日晚間以《基于二維半導(dǎo)體的 RISC-V 32 比特微處理器》（“A RISC-V 32-Bit Microprocessor Based on Two-dimensional Semiconductors”）為題發(fā)表于《自然》（Nature）期刊。論文顯示，這項(xiàng)成果突破了二維半導(dǎo)體電子學(xué)工程化瓶頸，首次實(shí)現(xiàn) 5900 個(gè)晶體管的集成度。該成果采用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)技術(shù)，使我國(guó)在新一代芯片材料研制中占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

刷新全球二維邏輯芯片最大規(guī)模驗(yàn)證紀(jì)錄

“無(wú)極” 芯片成果的發(fā)布，標(biāo)志著全球二維半導(dǎo)體技術(shù)從基礎(chǔ)器件邁向系統(tǒng)級(jí)集成的重大跨越。這一突破不僅攻克了二維材料工程化應(yīng)用的核心瓶頸，更在自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、工藝創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建等方面，彰顯出中國(guó)在下一代半導(dǎo)體領(lǐng)域的戰(zhàn)略布局。

在材料與架構(gòu)創(chuàng)新層面，“無(wú)極” 芯片選用二硫化鉬（MoS?）作為二維半導(dǎo)體材料，并結(jié)合開源的 RISC-V 指令集架構(gòu)，首次達(dá)成 5900 個(gè)晶體管的集成規(guī)模，遠(yuǎn)超此前二維邏輯芯片 115 個(gè)晶體管的最高紀(jì)錄（該紀(jì)錄由奧地利維也納工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)于 2017 年創(chuàng)造）。

二硫化鉬具備卓越的半導(dǎo)體特性，其原子級(jí)厚度僅為 0.65 納米，天然帶隙為 1.8eV，這使其在納米尺度下依然能維持優(yōu)異的電學(xué)性能。周鵬、包文中聯(lián)合團(tuán)隊(duì)通過自主研發(fā)的集成工藝以及 AI 驅(qū)動(dòng)的協(xié)同優(yōu)化技術(shù)，成功解決了二維材料生長(zhǎng)缺陷與工藝均勻性難題。面對(duì)二維芯片制造中涉及的上百道工藝參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化難題，團(tuán)隊(duì)引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建了 “原子級(jí)界面調(diào)控 + 全流程 AI 優(yōu)化” 雙引擎系統(tǒng)。經(jīng)此優(yōu)化，“無(wú)極” 芯片的關(guān)鍵邏輯電路（如反相器）良率達(dá)到 99.77%，并且 70% 的工序與現(xiàn)有硅基產(chǎn)線技術(shù)兼容，降低了產(chǎn)業(yè)化的門檻。

“無(wú)極” 芯片的誕生，對(duì)我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展意義重大。其一，該芯片突破了二維半導(dǎo)體系統(tǒng)級(jí)集成瓶頸，為后摩爾時(shí)代芯片發(fā)展開辟了新路徑；其二，周鵬、包文中聯(lián)合團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了包含 20 余項(xiàng)專利的核心工藝體系，有力推動(dòng)了國(guó)產(chǎn)芯片技術(shù)自主化進(jìn)程；其三，“無(wú)極” 芯片驗(yàn)證了二維材料在大規(guī)模集成電路中應(yīng)用的可行性，拓展了新型計(jì)算架構(gòu)的研究邊界。

周鵬、包文中聯(lián)合團(tuán)隊(duì)指出，“無(wú)極” 芯片具備單級(jí)高增益和關(guān)態(tài)超低漏電等優(yōu)異性能。通過嚴(yán)格的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備測(cè)試，團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了在 1kHz 時(shí)鐘頻率下，千門級(jí)芯片能夠串行實(shí)現(xiàn) 37 種 32 位 RISC-V 指令，滿足 32 位 RISC-V 整型指令集（RV32I）要求。其集成工藝的優(yōu)化程度以及規(guī)?；娐返尿?yàn)證結(jié)果，均達(dá)到國(guó)際同期最優(yōu)水平。

下一步，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步提升芯片集成度，探尋并搭建穩(wěn)定的工藝平臺(tái)，為未來(lái)開發(fā)具體應(yīng)用產(chǎn)品筑牢基礎(chǔ)。周鵬表示，在實(shí)時(shí)信號(hào)處理領(lǐng)域，二維半導(dǎo)體芯片有望應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、邊緣算力、AI 推理等前沿計(jì)算場(chǎng)景。

二維半導(dǎo)體材料成為破局路徑之一

當(dāng)前，摩爾定律的推進(jìn)節(jié)奏已從傳統(tǒng)的 18 - 24 個(gè)月晶體管數(shù)量翻倍，放緩至每 3 年翻倍，邏輯電路和存儲(chǔ)器（如 DRAM）的擴(kuò)展速度均大幅下降。隨著摩爾定律的演進(jìn)，晶體管尺寸趨近原子級(jí)別，量子隧穿效應(yīng)和散熱問題愈發(fā)嚴(yán)重，單純依靠尺寸微縮的技術(shù)路徑難以為繼。與此同時(shí)，先進(jìn)制程研發(fā)費(fèi)用急劇攀升，3nm 以下工藝的研發(fā)成本高達(dá)數(shù)十億美元，且投資回報(bào)周期延長(zhǎng)，廠商面臨巨大的財(cái)務(wù)壓力。

在后摩爾定律時(shí)代，產(chǎn)業(yè)界正從多方面尋求破局之道。例如，當(dāng)下行業(yè)熱門的先進(jìn)封裝技術(shù)，通過系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）、3D 堆疊、混合鍵合等方式實(shí)現(xiàn)芯片間的高密度互連，以提升整體性能，而非單純追求單一晶體管密度。還有對(duì)過往工藝的深度挖掘，比如通過設(shè)計(jì)改進(jìn)（如埋置電源軌、晶體管堆疊）來(lái)充分發(fā)揮現(xiàn)有制程的潛力，延長(zhǎng)摩爾定律的有效期。

材料創(chuàng)新同樣是備受矚目的破局路徑。一方面，產(chǎn)業(yè)界積極借助量子比特特性或光子傳輸來(lái)突破傳統(tǒng)計(jì)算瓶頸，以滿足特定領(lǐng)域的高算力需求；另一方面，眾多機(jī)構(gòu)和企業(yè)也在探索二維材料（如石墨烯）、氮化鎵（GaN）等，試圖突破硅基限制，提升器件性能。

二維材料憑借其原子級(jí)厚度、優(yōu)異的電學(xué)特性以及可調(diào)控的能帶結(jié)構(gòu)，成為突破傳統(tǒng)硅基限制的關(guān)鍵技術(shù)方向。二維材料能夠助力晶體管進(jìn)一步縮小尺寸，通過二維材料（如 MoS?）的原子級(jí)薄層結(jié)構(gòu)，可以有效抑制量子隧穿效應(yīng)，提升器件集成密度與能效比。二維材料還可應(yīng)用于異構(gòu)集成與柔性電子領(lǐng)域，其高機(jī)械柔韌性和低熱預(yù)算特性，為異質(zhì)集成（如與硅基芯片結(jié)合）以及柔性電子器件的開發(fā)提供了支持。實(shí)際上，在光電融合領(lǐng)域也可應(yīng)用此類材料，部分二維材料兼具半導(dǎo)體與光學(xué)特性，為光電子集成芯片提供了新的發(fā)展路徑。

相較于其他二維材料，如石墨烯、六方氮化硼（h - BN）等，二硫化鉬具有獨(dú)特的可調(diào)直接帶隙特性。單層 MoS?具有直接帶隙（~1.8eV），能夠高效吸收可見光，這一特性使其非常適用于光電器件；多層 MoS?轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接帶隙（~1.2eV），更契合邏輯晶體管設(shè)計(jì)，其載流子遷移率（~200 cm2/V?s）顯著高于硅基 FinFET 器件。

同時(shí)，二硫化鉬具備出色的柔性特性，層間弱范德華力使其易于剝離成單層，且具有高機(jī)械強(qiáng)度（彈性模量～270GPa）和柔韌性，適用于柔性電子器件。其層狀結(jié)構(gòu)賦予了超低摩擦系數(shù)，可集成于微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和耐磨損涂層。這也體現(xiàn)了二硫化鉬出色的工藝兼容性，它可通過化學(xué)氣相沉積（CVD）、機(jī)械剝離等規(guī)?；椒ㄖ苽?，并且與現(xiàn)有硅基工藝兼容性較高?！盁o(wú)極” 芯片的實(shí)踐充分證明了這一點(diǎn)。綜上所述，在后摩爾定律時(shí)代，二硫化鉬憑借其可調(diào)帶隙、高載流子遷移率、多晶相靈活性以及成熟的工藝基礎(chǔ)，成為二維材料中實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體器件升級(jí)的核心候選材料。

不過，目前國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)對(duì)二維半導(dǎo)體材料的研究并非僅局限于二硫化鉬。例如，2023 年北京大學(xué)制備出 10 納米超短溝道彈道二維硒化銦晶體管，工作電壓降至 0.5V，性能首次超越 Intel 商用 10 納米硅基鰭型晶體管，硒化銦也是一種二維半導(dǎo)體材料。又如，中科院上海微系統(tǒng)所開發(fā)出單晶氧化鋁柵介質(zhì)材料（c - Al?O?），界面態(tài)密度低至 8.4×10? cm?2 eV?1，成功制備低功耗晶體管陣列，擊穿場(chǎng)強(qiáng)達(dá) 17.4MV/cm，滿足國(guó)際器件路線圖（IRDS）要求，這同樣是對(duì)二維半導(dǎo)體材料的探索。此外，中科院半導(dǎo)體所、清華大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)和高校也都在關(guān)注二維半導(dǎo)體材料的研究。

除國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)外，國(guó)際半導(dǎo)體大廠也有諸多關(guān)注二維半導(dǎo)體材料的。一個(gè)典型案例是，此前北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出全球首款二維 GAAFET 晶體管，該團(tuán)隊(duì)稱已將其晶體管與英特爾、臺(tái)積電、三星等公司的產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)際上，近年來(lái)英特爾、臺(tái)積電、三星和歐洲微電子中心等全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體制造公司與研究機(jī)構(gòu)，均對(duì)二維材料展開了研究，然而相關(guān)成果尚未應(yīng)用于量產(chǎn)工藝。

從這一視角來(lái)看，“無(wú)極” 芯片的問世更顯珍貴，其 70% 的工序兼容特性，有望加速二維半導(dǎo)體材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

結(jié)語(yǔ)

“無(wú)極” 的誕生，不僅是半導(dǎo)體技術(shù)的一次重大革新，更是中國(guó)在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域突破 “卡脖子” 技術(shù)的生動(dòng)體現(xiàn)。隨著二維半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)成熟，我們有理由期待，一場(chǎng)由原子級(jí)材料引發(fā)的 “芯片革命” 即將上演。不過，除了工藝兼容問題，我們還需正視晶圓級(jí)二維材料生長(zhǎng)技術(shù)瓶頸、二維半導(dǎo)體芯片在規(guī)模化生產(chǎn)中的穩(wěn)定性不足，以及專用設(shè)備與設(shè)計(jì)工具缺失等挑戰(zhàn)，這些都需要逐一攻克。因此，二維半導(dǎo)體材料的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，依賴于跨學(xué)科協(xié)同（涵蓋材料科學(xué)、微電子、設(shè)備工程等領(lǐng)域）以及政策扶持，以此推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)突破與產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建。

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