本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）綜合
周鵬團(tuán)隊(duì)成功研制32位二維半導(dǎo)體微處理器“無(wú)極”。
面對(duì)摩爾定律逼近物理極限的全球性挑戰(zhàn)，具有單個(gè)原子層厚度的二維半導(dǎo)體是目前國(guó)際公認(rèn)的破局關(guān)鍵，科學(xué)家們一直在探索如何將二維半導(dǎo)體材料應(yīng)用于集成電路中。
十多年來(lái)，國(guó)際學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界已掌握晶圓級(jí)二維材料生長(zhǎng)技術(shù)，成功制造出擁有數(shù)百個(gè)原子長(zhǎng)度、若干個(gè)原子厚度的高性能基礎(chǔ)器件。但是在復(fù)旦團(tuán)隊(duì)取得新突破之前，國(guó)際上最高的二維半導(dǎo)體數(shù)字電路集成度僅為115個(gè)晶體管，由奧地利維也納工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在2017年實(shí)現(xiàn)。
核心難題在于，要將這些原子級(jí)精密元件組裝成完整的集成電路系統(tǒng)，依舊受制于工藝精度與規(guī)模勻性的協(xié)同良率控制。
2025年4月2日，“科學(xué)探索獎(jiǎng)”信息電子領(lǐng)域獲獎(jiǎng)人、復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院周鵬與復(fù)旦大學(xué)包文中聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，在Nature發(fā)表題為“A RISC-V 32-Bit Microprocessor Based on Two-dimensional Semiconductors”（基于二維半導(dǎo)體的RISC-V 32比特微處理器）的研究論文。
該團(tuán)隊(duì)突破二維半導(dǎo)體電子學(xué)集成度瓶頸，成功研制全球首款基于二維半導(dǎo)體材料（二硫化鉬MoS2）的32位RISC-V架構(gòu)微處理器“無(wú)極（WUJI）”。在32位輸入指令的控制下，“無(wú)極（WUJI）”可以實(shí)現(xiàn)最大為42億的數(shù)據(jù)間的加減運(yùn)算，支持GB級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)，以及最長(zhǎng)可達(dá)10億條精簡(jiǎn)指令集的程序編寫(xiě)。
“無(wú)極（WUJI）”的成功問(wèn)世，標(biāo)志著經(jīng)過(guò)五年技術(shù)攻關(guān)和迭代，周鵬、包文中聯(lián)合團(tuán)隊(duì)取得突破性成果。該處理器通過(guò)自主創(chuàng)新的特色集成工藝，通過(guò)開(kāi)源簡(jiǎn)化指令集計(jì)算架構(gòu) （RISC-V），在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了二維邏輯功能最大規(guī)模驗(yàn)證紀(jì)錄（集成5900個(gè)晶體管），完成了從材料到架構(gòu)再到流片的全鏈條自主研發(fā)。
“我們用微米級(jí)的工藝做到納米級(jí)的功耗。而極低功耗的CPU可以助力人工智能更廣泛應(yīng)用。”周鵬說(shuō)。
據(jù)介紹，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的AI驅(qū)動(dòng)的一貫式協(xié)同工藝優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)“原子級(jí)界面精準(zhǔn)調(diào)控+全流程AI算法優(yōu)化”雙引擎，實(shí)現(xiàn)了從材料生長(zhǎng)到集成工藝的精準(zhǔn)控制。“無(wú)極（WUJI）”的工藝流程非常復(fù)雜，參數(shù)設(shè)置依靠人工很難完成。引入機(jī)器學(xué)習(xí)AI賦能后，可以迅速確定參數(shù)優(yōu)化窗口，提升晶體管良率。在這些二維半導(dǎo)體集成工藝中，70%左右的工序可直接沿用現(xiàn)有硅基產(chǎn)線成熟技術(shù)，而核心的二維特色工藝也已構(gòu)建包含20余項(xiàng)工藝發(fā)明專利，結(jié)合專用工藝設(shè)備的自主技術(shù)體系，為未來(lái)的產(chǎn)業(yè)化落地鋪平道路。
該研究工作中，團(tuán)隊(duì)解決了二維材料-接觸-柵介質(zhì)-后道工藝的精確耦合調(diào)控難題，利用原子級(jí)精度的加工和表征技術(shù)，驗(yàn)證了規(guī)模化的數(shù)字電路。其中，反相器良率高達(dá)99.77%，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(guò)嚴(yán)格的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備測(cè)試，驗(yàn)證了在1 kHz時(shí)鐘頻率下，在千門(mén)級(jí)電路上可以串行實(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。其集成工藝優(yōu)化程度和規(guī)?；娐夫?yàn)證結(jié)果，均達(dá)到了國(guó)際同期最優(yōu)水平。
二維半導(dǎo)體不會(huì)取代硅
“正如地鐵出現(xiàn)以后，公交車(chē)依然有其價(jià)值，二維半導(dǎo)體芯片和硅基芯片是互補(bǔ)的關(guān)系?！敝荠i表示，“‘無(wú)極’用的是微米級(jí)的工藝，其功耗和納米級(jí)芯片的功耗相當(dāng)，如果采用更好的光刻機(jī)設(shè)備，功耗將進(jìn)一步降低，將來(lái)在對(duì)低功耗有著更高要求的設(shè)備上更具優(yōu)勢(shì)?！?/p>
周鵬同時(shí)強(qiáng)調(diào)：“‘無(wú)極’只是概念驗(yàn)證原型，整體性能和目前商用的芯片仍存在一定距離，目前并不具備市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。”
團(tuán)隊(duì)正在為“無(wú)極”的轉(zhuǎn)化落地而努力。他們將進(jìn)一步提升二維電子器件的性能和集成度，突破當(dāng)前晶體管集成度的瓶頸，使其在更多應(yīng)用場(chǎng)景中具備更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程上，團(tuán)隊(duì)也在加強(qiáng)與現(xiàn)有硅基產(chǎn)線技術(shù)的結(jié)合，推動(dòng)核心二維特色工藝的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，并在與相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)合作，使其能夠盡快在實(shí)際產(chǎn)品中發(fā)揮作用。
包文中表示，過(guò)去幾十年間集成電路的發(fā)展也為二維半導(dǎo)體芯片的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，“有理由相信，二維半導(dǎo)體芯片的性能可以在較短的時(shí)間里追上硅基芯片，最終形成和硅基芯片長(zhǎng)期共存、應(yīng)用互補(bǔ)的局面?！?/p>
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