[智能应用]全球首发！复旦团队研制二维半导体芯片“无极” [6P] [复制链接]

二维半导体芯片取得里程碑式突破！
复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室
周鹏、包文中联合团队
成功研制全球首款
基于二维半导体材料的
32位RISC-V架构微处理器
“无极（WUJI）”
该成果突破二维半导体电子学工程化瓶颈
首次实现5900个晶体管的集成度
是由复旦团队完成、
具有自主知识产权的国产技术
使我国在新一代芯片材料研制中
占据先发优势
为推动电子与计算技术进入新纪元
提供有力支撑
相关成果于北京时间4月2日晚间
以《基于二维半导体的RISC-V 32比特微处理器》（“A RISC-V 32-Bit Microprocessor Based on Two-dimensional Semiconductors”）
为题发表于《自然》（Nature）期刊
115→5900
实现二维逻辑芯片最大规模验证纪录
面对摩尔定律逼近物理极限的全球性挑战，具有单个原子层厚度的二维半导体是目前国际公认的破局关键，科学家们一直在探索如何将二维半导体材料应用于集成电路中。
十多年来，国际学术界与产业界已掌握晶圆级二维材料生长技术，成功制造出拥有数百个原子长度、若干个原子厚度的高性能基础器件。但是在复旦团队取得新突破之前，国际上最高的二维半导体数字电路集成度仅为115个晶体管，由奥地利维也纳工业大学团队在2017年实现。
核心难题在于，要将这些原子级精密元件组装成完整的集成电路系统，依旧受制于工艺精度与规模匀性的协同良率控制。经过五年攻关，复旦团队将芯片从阵列级或单管级推向系统级集成，基于二维半导体材料（二硫化钼MoS2）制造的32位RISC-V架构微处理器“无极（WUJI）”成功问世。
该芯片通过自主创新的特色集成工艺，以及开源简化指令集计算架构（RISC-V），集成5900个晶体管，在国际上实现二维逻辑芯片最大规模验证纪录。
“反相器是一个非常基础且重要的逻辑电路，它的良率直接反映了整个芯片的质量。”复旦大学微电子学院教授周鹏介绍，二维材料不像硅晶圆可以通过直拉法生长出高质量的大尺寸单晶，而是需要通过化学气相沉积（CVD）法来生长，这就导致了材料本身的缺陷和不均匀性。本项研究中的反相器良率高达99.77%，具备单级高增益和关态超低漏电等优异性能，这是一个工程性的突破。
将ENIAC和Intel 4004 以及无极诞生年实现了加法上的运算联系
“我们要确保每一道工艺都能与其他步骤无缝衔接，从而实现最高良率和最佳性能。”论文共同第一作者、微电子学院直博生敖明睿介绍，团队制造了900个反向器阵列，每个阵列包含30×30个反向器。经过严格测试，发现其中898个反向器的逻辑功能完好无损，翻转电压和争议值都非常理想，领先于同类研究。
“如果把制造硅基芯片比作在石头上雕刻，那么二维芯片就是在一块豆腐上雕花。”微电子学院研究员包文中打比方道，二维半导体作为一种最薄的半导体形态，必须采用更温和、精细的工艺方法进行“雕刻”。
团队通过柔性等离子(Plasma)处理技术等低能量工艺，对二维半导体表面进行加工，从而避免了高能粒子对材料造成的损害，充分发挥出二维半导体的优势，也确保芯片质量。
AI for Science
高效筛选最优工艺参数组合
二维半导体芯片制作涉及上百道工艺，每步工艺之间还存在相互影响，这些工艺参数变量联立起来的组合几乎是天文数字。这也是二维半导体研发的最大难点。
“单靠人工调整参数几乎是不可能任务。”包文中介绍，在二维半导体领域，研发工艺参数的复杂性远超传统硅基工艺。如何才能确保每一道工艺步骤都能与其他步骤协同工作？面对这一挑战，AI for Science提供了新的解法。
早在2021年，团队曾在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表了一篇文章（https://www.nature.com/articles/s41467-021-26230-x），探讨采用机器学习方法优化工艺参数，此次研究正是在这一基础上发展而来。“我们在前期积累了大量工艺参数，让AI计算出最佳工艺配方。如果没有这些前期的数据积累，AI的效果就会大打折扣。”敖明睿说。
通过“原子级界面精准调控+全流程AI算法优化”的双引擎，团队实现了从材料生长到集成工艺的精准控制，在短时间内筛选出最优的工艺参数组合，大大提高了实验效率。
以接触层的工艺优化为例，团队收集了大量历史数据，包括不同条件下接触电阻的变化情况。将这些数据输入AI模型之后，AI模型能在研究人员的指示下，根据已有数据预测最优的接触层生长参数和掺杂浓度。在后道工艺中，团队也应用了AI技术，涉及多个步骤的精确耦合调控，确保每步操作达到最佳效果。
成果产品具备单级高增益和关态超低漏电等优异性能。通过严格的自动化测试设备测试，团队验证了在1 kHz时钟频率下，千门级芯片可以串行实现37种32位RISC-V指令，满足32位RISC-V整型指令集（RV32I）要求。其集成工艺优化程度和规模化电路的验证结果，均达到了国际同期最优水平。
“这表明我们的芯片不仅可以进行简单的逻辑运算，还能执行复杂的指令集。”论文共同第一作者、微电子学院直博生周秀诚说。
全链条自主研发
达到国际领先水平
RISC-V作为一种开源简化指令集计算架构，已逐渐成为当前芯片研发领域的主流选择。本次研发的芯片正是采用RISC-V架构作为设计基础。
“我们的最终目标是将技术送到千家万户，建立开放兼容的用户生态。”微电子学院研究员韩军在本次工作中负责RISC-V架构设计。他介绍，选择这一架构意味着对接全球技术标准且无需依赖封闭架构，未来可自主构建用户生态，不受制于国外厂商的架构和IP专利。
在团队开发的二维半导体集成工艺中，70%左右的工序可直接沿用现有硅基产线成熟技术，而核心的二维特色工艺也已构建包含20余项工艺发明专利，结合专用工艺设备的自主技术体系，为产业化落地铺平道路。
下一步，团队将进一步提高芯片集成度，寻找并搭建稳定的工艺平台，为未来开发具体的应用产品打下基础。周鹏提到，在实时信号处理方面，二维半导体芯片有望适用于物联网、边缘算力、AI推理等前沿计算场景。
当前，国际上对二维半导体的研究仍在起步阶段，尚未实现大规模应用。在全球半导体领域竞争日益激烈的背景下，本次成果意味着中国有机会在二维半导体材料上取得领先优势。
“我们希望通过持续的技术创新和应用拓展，抢占这一领域的制高点。”周鹏说。
复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室、浙江绍芯实验室（绍兴复旦研究院）、微电子学院周鹏和包文中为论文通讯作者，博士生敖明睿、周秀诚为论文共同第一作者。研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市科委等项目的资助，以及教育部创新平台的支持。

　　复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室的周鹏和包文中联合团队确实取得了一项重大突破，他们成功研制出了全球首款基于二维半导体材料的32位RISC-V架构微处理器“无极（WUJI）”。这项成果不仅突破了二维半导体电子学工程化的瓶颈，还首次实现了5900个晶体管的集成度，这是具有自主知识产权的国产技术，使中国在新一代芯片材料研制中占据了先发优势。

　　这项技术的发展对于推动电子与计算技术进入新纪元提供了有力支撑。相关成果已于北京时间4月2日晚间发表在《自然》期刊上，题为《基于二维半导体的RISC-V 32比特微处理器》。这项研究的成功，意味着在面对摩尔定律逼近物理极限的全球性挑战时，具有单个原子层厚度的二维半导体成为了破局的关键。

　　在此之前，国际上最高的二维半导体数字电路集成度仅为115个晶体管，由奥地利维也纳工业大学团队在2017年实现。复旦团队通过五年的技术攻关，将芯片从阵列级或单管级推向系统级集成，基于二维半导体材料（二硫化钼MoS2）制造的32位RISC-V架构微处理器“无极（WUJI）”成功问世，实现了二维逻辑芯片最大规模验证纪录。

　　这项技术的成功，不仅展示了中国在半导体领域的自主创新能力，也为全球半导体技术的发展提供了新的方向。通过这项技术，中国有机会在二维半导体材料上取得领先优势，并在全球半导体领域竞争中占据有利地位。

全球首发！复旦团队研制二维半导体芯片“无极”
芯片简介
北京时间2025年4月2日晚，复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室周鹏、包文中联合团队成功研制全球首款基于二维半导体材料的32位RISC - V架构微处理器“无极（WUJI）”，相关成果以《基于二维半导体的RISC - V32比特微处理器》为题发表于《自然》期刊1234。该成果突破二维半导体电子学工程化瓶颈，首次实现5900个晶体管的集成度，是具有自主知识产权的国产技术，使我国在新一代芯片材料研制中占据先发优势，为推动电子与计算技术进入新纪元提供有力支撑。

研发背景
摩尔定律正逼近物理极限，硅材料“制霸”集成电路制造业多年，随着器件尺寸不断缩小，硅材料的物理极限成为半导体发展过程中无法避免的挑战。而具有单个原子层厚度的二维半导体是目前国际公认的破局关键。此前国际学术界与产业界已掌握晶圆级二维材料生长技术，成功制造出拥有数百个原子长度、若干个原子厚度的高性能基础器件，但要将这些原子级精密元件组装成完整的集成电路系统，受制于工艺精度与规模匀性的协同良率控制，国际上最高的二维半导体数字电路集成度仅为115个晶体管（由奥地利维也纳工业大学团队在2017年实现），始终未能跨越功能性微处理器的技术门槛。

技术突破
集成度突破
经过五年攻关，复旦团队将芯片从阵列级或单管级推向系统级集成，基于二维半导体材料（二硫化钼MoS₂）制造的32位RISC - V架构微处理器“无极”成功问世，集成5900个晶体管，在国际上实现二维逻辑芯片最大规模验证纪录。

工艺技术创新
低能量加工工艺：二维材料需要通过化学气相沉积（CVD）法来生长，导致材料本身有缺陷和不均匀性。团队通过柔性等离子（Plasma）处理技术等低能量工艺，对二维半导体表面进行加工，避免了高能粒子对材料造成的损害，充分发挥出二维半导体的优势，确保了芯片质量。如果把制造硅基芯片比作在石头上雕刻，那么二维芯片就是在一块豆腐上雕花，二维半导体必须采用更温和、精细的工艺方法进行雕刻12。
AI驱动工艺优化：二维半导体芯片制作涉及上百道工艺，每步工艺之间相互影响，工艺参数变量组合几乎是天文数字，单靠人工调整参数几乎不可能。团队在前期积累大量工艺参数，让AI计算出最佳工艺配方。通过原子级界面精准调控 + 全流程AI算法优化的双引擎，实现了从材料生长到集成工艺的精准控制，在短时间内筛选出最优的工艺参数组合，大大提高了实验效率。例如在接触层的工艺优化中，团队收集大量历史数据输入AI模型，让其预测最优的接触层生长参数和掺杂浓度；在后道工艺中，也应用AI技术实现多个步骤的精确耦合调控，确保每步操作达到最佳效果。
反相器良率提升
反相器是基础且重要的逻辑电路，其良率直接反映整个芯片的质量。团队制造了900个反向器阵列，每个阵列包含30×30个反向器，经过严格测试，发现其中898个反向器的逻辑功能完好无损，翻转电压和争议值都非常理想，本项研究中的反相器良率高达99.77%，具备单级高增益和关态超低漏电等优异性能，这是一个工程性的突破。

性能验证
团队通过严格的自动化测试设备测试，验证了在1kHz时钟频率下，千门级芯片可以串行实现37种32位RISC - V指令，满足32位RISC - V整型指令集（RV32I）要求，其集成工艺优化程度和规模化电路的验证结果，均达到了国际同期最优水平