作者 | ZeR0
編輯 | 漠影
芯東西4月3日報道，昨夜，二維半導體晶片里程碑式突破登上國際頂級學術期刊Nature：全球首顆二維半導體32位微處理器橫空出世，來自中國團隊！
這項突破由復旦大學整合晶片與系統全國重點實驗室周鵬、包文中聯合團隊實現，成功研製全球首款基於二維半導體材料的32位RISC-V架構微處理器“無極（WUJI）”。
面對摩爾定律逼近物理極限的挑戰，具有單個原子層厚度的二維半導體是國際公認的破局關鍵。十多年來，國際學術界與產業界已掌握晶圓級二維材料生長技術，成功製造出擁有數百個原子長度、若干個原子厚度的高效能基礎器件。但此前國際上最高的二維半導體數位電路整合度僅為115個電晶體，由奧地利維也納工業大學團隊在2017年實現。
據復旦大學公眾號發文，“無極”突破二維半導體電子學工程化瓶頸，首次實現5900顆電晶體的整合度，使我國在新一代晶片材料研製中佔據先發優勢。
論文題目為《基於二維半導體的RISC-V 32位元微處理器》（“A RISC-V 32-Bit Microprocessor Based on Two-dimensional Semiconductors”）。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08759-9
研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、上海市科委等專案的資助，以及教育部創新平臺的支援。
復旦大學整合晶片與系統全國重點實驗室、浙江紹芯實驗室（紹興復旦研究院）、微電子學院周鵬和包文中為論文通訊作者，博士生敖明睿、周秀誠為論文共同第一作者。
據周鵬分享，在即時訊號處理方面，二維半導體晶片有望適用於物聯網、邊緣算力、AI推理等前沿計算場景。
01.
5900顆電晶體、堪比“豆腐雕花”，
實現二維邏輯晶片最大規模驗證紀錄
“如果把製造矽基晶片比作在石頭上雕刻，那麼二維晶片就是在一塊豆腐上雕花。”微電子學院研究員包文中打比方說，二維半導體作為一種最薄的半導體形態，必須採用更溫和、精細的工藝方法進行“雕刻”。
由於傳統半導體的固有侷限性，近年來對後矽半導體的追求不斷升級，這些侷限性受到諸如漏極誘導的勢壘降低、介面散射誘導的遷移率下降以及由半導體頻寬決定的受限電流開/關比等問題的困擾。
這些挑戰促使人們尋找更先進的材料，原子層厚度的二維半導體成為一種潛在的解決方案。
經過十多年的研究進展，晶圓級增長和器件製造的最新發展促成了二維半導體電子學的突破，但整合水平仍然侷限於幾百個電晶體。
復旦團隊經過五年攻關，將晶片從陣列級或單管級推向系統級整合，基於二維半導體材料（二硫化鉬MoS2）製造出32位RISC-V架構微處理器“無極（WUJI）”，透過自主創新的特色整合工藝，以及開源簡化指令集計算架構（RISC-V），整合5900顆電晶體，在國際上實現二維邏輯晶片最大規模驗證紀錄。
要將原子級精密元件組裝成完整的積體電路系統，受制於工藝精度與規模勻性的協同良率控制。
為了配合矽積體電路的發展，復旦團隊優化了二維邏輯電路的工藝流程和設計，透過柔性等離子（Plasma）處理技術等低能量工藝，對二維半導體表面進行加工，從而避免了高能粒子對材料造成的損害，充分發揮出二維半導體的優勢，也確保晶片質量。
反相器的良率直接反映了整個晶片的質量。本項研究中的反相器良率高達99.77%，具備單級高增益和關態超低漏電等優異效能。
復旦團隊製造了900個反相器陣列，每個陣列包含30×30個反相器。經嚴格測試，其中898個反相器的邏輯功能完好無損，翻轉電壓和爭議值都非常理想，領先於同類研究。
▲將ENIAC和Intel 4004以及無極誕生年實現了加法上的運算聯絡
02.
用AI for Science篩選最優工藝引數組合：
原子級介面精準調控+全流程AI演算法最佳化
二維半導體晶片製作涉及上百道工藝，每步工藝之間存在相互影響，研發工藝引數的複雜性遠超傳統矽基工藝，這些工藝引數變數聯立起來的組合幾乎是天文數字。
這也是二維半導體研發的最大難點。據包文中介紹，單靠人工調整引數幾乎是不可能任務。為確保每一道工藝步驟都能與其他步驟協同工作，AI for Science提供了新解法。
最新研究成果建立於復旦團隊此前一項探討採用機器學習方法最佳化工藝引數的研究基礎之上（曾於2021年在Nature子刊Nature Communications）上發表。
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-26230-x
復旦團隊在前期積累了大量工藝引數，讓AI計算出最佳工藝配方。透過“原子級介面精準調控+全流程AI演算法最佳化”的雙引擎，該團隊實現了從材料生長到整合工藝的精準控制，在短時間內篩選出最優的工藝引數組合，大大提高了實驗效率。
透過嚴格的自動化測試裝置測試，團隊驗證了在1kHz時鐘頻率下，千門級晶片可以序列實現37種32位RISC-V指令，滿足32位RISC-V整型指令集（RV32I）要求。其整合工藝最佳化程度和規模化電路的驗證結果，均達到了國際同期最優水平。
論文共同第一作者、微電子學院直博生周秀誠說，這表明“無極”不僅可以進行簡單的邏輯運算，還能執行復雜的指令集。
03.
結語：開源架構+相容工藝，
全鏈條自主研發達到國際領先水平
當前，國際上對二維半導體的研究仍在起步階段，尚未實現大規模應用。根據復旦大學公眾號文章，本次成果意味著中國有機會在二維半導體材料上取得領先優勢。
復旦大學微電子學院研究員韓軍在本次工作中負責RISC-V架構設計，他談到開源指令集架構RISC-V的優勢是對接全球技術標準且無需依賴封閉架構，未來可自主構建使用者生態，不受制於國外廠商的架構和IP專利。
在該團隊開發的二維半導體整合工藝中，70%左右的工序可直接沿用現有矽基產線成熟技術，核心的二維特色工藝也已構建包含20餘項工藝發明專利，結合專用工藝裝置的自主技術體系，為產業化落地鋪平道路。
下一步，復旦團隊將進一步提高晶片整合度，尋找並搭建穩定的工藝平臺，為未來開發具體的應用產品打下基礎。
來源：復旦大學，Nature