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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。
“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。