本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）綜合
周鵬團(tuán)隊成功研制32位二維半導(dǎo)體微處理器“無極”。
面對摩爾定律逼近物理極限的全球性挑戰(zhàn)，具有單個原子層厚度的二維半導(dǎo)體是目前國際公認(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，國際學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界已掌握晶圓級二維材料生長技術(shù)，成功制造出擁有數(shù)百個原子長度、若干個原子厚度的高性能基礎(chǔ)器件。但是在復(fù)旦團(tuán)隊取得新突破之前，國際上最高的二維半導(dǎo)體數(shù)字電路集成度僅為115個晶體管，由奧地利維也納工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊在2017年實現(xiàn)。
核心難題在于，要將這些原子級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”信息電子領(lǐng)域獲獎人、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，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“無極（WUJI）”。在32位輸入指令的控制下，“無極（WUJI）”可以實現(xiàn)最大為42億的數(shù)據(jù)間的加減運(yùn)算，支持GB級數(shù)據(jù)存儲和訪問，以及最長可達(dá)10億條精簡指令集的程序編寫。
“無極（WUJI）”的成功問世，標(biāo)志著經(jīng)過五年技術(shù)攻關(guān)和迭代，周鵬、包文中聯(lián)合團(tuán)隊取得突破性成果。該處理器通過自主創(chuàng)新的特色集成工藝，通過開源簡化指令集計算架構(gòu) （RISC-V），在國際上實現(xiàn)了二維邏輯功能最大規(guī)模驗證紀(jì)錄（集成5900個晶體管），完成了從材料到架構(gòu)再到流片的全鏈條自主研發(fā)。
“我們用微米級的工藝做到納米級的功耗。而極低功耗的CPU可以助力人工智能更廣泛應(yīng)用。”周鵬說。
據(jù)介紹，團(tuán)隊創(chuàng)新開發(fā)的AI驅(qū)動的一貫式協(xié)同工藝優(yōu)化技術(shù)，通過“原子級界面精準(zhǔn)調(diào)控+全流程AI算法優(yōu)化”雙引擎，實現(xiàn)了從材料生長到集成工藝的精準(zhǔn)控制?！盁o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，為未來的產(chǎn)業(yè)化落地鋪平道路。
該研究工作中，團(tuán)隊解決了二維材料-接觸-柵介質(zhì)-后道工藝的精確耦合調(diào)控難題，利用原子級精度的加工和表征技術(shù)，驗證了規(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)格的自動化測試設(shè)備測試，驗證了在1 kHz時鐘頻率下，在千門級電路上可以串行實現(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)?；娐夫炞C結(jié)果，均達(dá)到了國際同期最優(yōu)水平。
二維半導(dǎo)體不會取代硅
“正如地鐵出現(xiàn)以后，公交車依然有其價值，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，“‘無極’用的是微米級的工藝，其功耗和納米級芯片的功耗相當(dāng)，如果采用更好的光刻機(jī)設(shè)備，功耗將進(jìn)一步降低，將來在對低功耗有著更高要求的設(shè)備上更具優(yōu)勢?！?/p>
周鵬同時強(qiáng)調(diào)：“‘無極’只是概念驗證原型，整體性能和目前商用的芯片仍存在一定距離，目前并不具備市場優(yōu)勢?！?/p>
團(tuán)隊正在為“無極”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)用場景中具備更強(qiáng)的競爭力。在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程上，團(tuán)隊也在加強(qiáng)與現(xiàn)有硅基產(chǎn)線技術(shù)的結(jié)合，推動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，使其能夠盡快在實際產(chǎn)品中發(fā)揮作用。
包文中表示，過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，“有理由相信，二維半導(dǎo)體芯片的性能可以在較短的時間里追上硅基芯片，最終形成和硅基芯片長期共存、應(yīng)用互補(bǔ)的局面?！?/p>
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