芯東西（公眾號：aichip001）
作者 ZeR0
編輯 漠影

芯東西4月3日報道，昨夜，二維半導體芯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集成芯片與系統全國重點實驗室周鵬、包文中聯合團隊實現，成功研制全球首款基于二維半導體材料的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，成功制造出擁有數百個原子長度、若干個原子厚度的高性能基礎器件。但此前國際上最高的二維半導體數字電路集成度僅為115個晶體管，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顆晶體管的集成度，使我國在新一代芯片材料研制中占據先發優勢。

論文題目為《基于二維半導體的RISC-V 32比特微處理器》（“A RISC-V 32-Bit Microprocessor Based on Two-dimensional Semiconductors”）。

論文鏈接：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、上海市科委等項目的資助，以及教育部創新平臺的支持。

復旦大學集成芯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，在實時信號處理方面，二維半導體芯片有望適用于物聯網、邊緣算力、AI推理等前沿計算場景。

一、5900顆晶體管、堪比“豆腐雕花”，實現二維邏輯芯片最大規模驗證紀錄

“如果把制造硅基芯片比作在石頭上雕刻，那么二維芯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，必須采用更溫和、精細的工藝方法進行“雕刻”。

由于傳統半導體的固有局限性，近年來對后硅半導體的追求不斷升級，這些局限性受到諸如漏極誘導的勢壘降低、界面散射誘導的遷移率下降以及由半導體帶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，晶圓級增長和器件制造的最新發展促成了二維半導體電子學的突破，但集成水平仍然局限于幾百個晶體管。

復旦團隊經過五年攻關，將芯片從陣列級或單管級推向系統級集成，基于二維半導體材料（二硫化鉬MoS2）制造出32位RISC-V架構微處理器“無極（WUJI）”，通過自主創新的特色集成工藝，以及開源簡化指令集計算架構（RISC-V），集成5900顆晶體管，在國際上實現二維邏輯芯片最大規模驗證紀錄。

要將原子級精密元件組裝成完整的集成電路系統，受制于工藝精度與規模勻性的協同良率控制。

為了配合硅集成電路的發展，復旦團隊優化了二維邏輯電路的工藝流程和設計，通過柔性等離子（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，也確保芯片質量。

反相器的良率直接反映了整個芯片的質量。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性能。

復旦團隊制造了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，領先于同類研究。

▲將ENIAC和Intel 4004以及無極誕生年實現了加法上的運算聯系

二、用AI for Science篩選最優工藝參數組合：原子級界面精準調控+全流程AI算法優化

二維半導體芯片制作涉及上百道工藝，每步工藝之間存在相互影響，研發工藝參數的復雜性遠超傳統硅基工藝，這些工藝參數變量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，單靠人工調整參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。

最新研究成果建立于復旦團隊此前一項探討采用機器學習方法優化工藝參數的研究基礎之上（曾于2021年在Nature子刊Nature Communications）上發表。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26230-x

復旦團隊在前期積累了大量工藝參數，讓AI計算出最佳工藝配方。通過“原子級界面精準調控+全流程AI算法優化”的雙引擎，該團隊實現了從材料生長到集成工藝的精準控制，在短時間內篩選出最優的工藝參數組合，大大提高了實驗效率。

通過嚴格的自動化測試設備測試，團隊驗證了在1kHz時鐘頻率下，千門級芯片可以串行實現37種32位RISC-V指令，滿足32位RISC-V整型指令集（RV32I）要求。其集成工藝優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。

結語：開源架構+兼容工藝，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，未來可自主構建用戶生態，不受制于國外廠商的架構和IP專利。

在該團隊開發的二維半導體集成工藝中，70%左右的工序可直接沿用現有硅基產線成熟技術，核心的二維特色工藝也已構建包含20余項工藝發明專利，結合專用工藝設備的自主技術體系，為產業化落地鋪平道路。

下一步，復旦團隊將進一步提高芯片集成度，尋找并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