（文/吴子鹏） 近日，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出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）”。
“无极” 芯片，图源：复旦大学
据悉，该成果于北京时间 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。论文显示，这项成果突破了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。该成果采用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。
刷新全球二维逻辑芯片最大规模验证纪录
“无极” 芯片成果的发布，标志着全球二维半导体技术从基础器件迈向系统级集成的重大跨越。这一突破不仅攻克了二维材料工程化应用的核心瓶颈，更在自主知识产权、工艺创新和产业生态构建等方面，彰显出中国在下一代半导体领域的战略布局。
在材料与架构创新层面，“无极” 芯片选用二硫化钼（MoS₂）作为二维半导体材料，并结合开源的 RISC-V 指令集架构，首次达成 5900 个晶体管的集成规模，远超此前二维逻辑芯片 115 个晶体管的最高纪录（该纪录由奥地利维也纳工业大学团队于 2017 年创造）。
二硫化钼具备卓越的半导体特性，其原子级厚度仅为 0.65 纳米，天然带隙为 1.8eV，这使其在纳米尺度下依然能维持优异的电学性能。周鹏、包文中联合团队通过自主研发的集成工艺以及 AI 驱动的协同优化技术，成功解决了二维材料生长缺陷与工艺均匀性难题。面对二维芯片制造中涉及的上百道工艺参数的协同优化难题，团队引入机器学习算法，构建了 “原子级界面调控 + 全流程 AI 优化” 双引擎系统。经此优化，“无极” 芯片的关键逻辑电路（如反相器）良率达到 99.77%，并且 70% 的工序与现有硅基产线技术兼容，降低了产业化的门槛。
“无极” 芯片的诞生，对我国集成电路产业发展意义重大。其一，该芯片突破了二维半导体系统级集成瓶颈，为后摩尔时代芯片发展开辟了新路径；其二，周鹏、包文中联合团队构建了包含 20 余项专利的核心工艺体系，有力推动了国产芯片技术自主化进程；其三，“无极” 芯片验证了二维材料在大规模集成电路中应用的可行性，拓展了新型计算架构的研究边界。
周鹏、包文中联合团队指出，“无极” 芯片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 1kHz 时钟频率下，千门级芯片能够串行实现 37 种 32 位 RISC-V 指令，满足 32 位 RISC-V 整型指令集（RV32I）要求。其集成工艺的优化程度以及规模化电路的验证结果，均达到国际同期最优水平。
下一步，团队将进一步提升芯片集成度，探寻并搭建稳定的工艺平台，为未来开发具体应用产品筑牢基础。周鹏表示，在实时信号处理领域，二维半导体芯片有望应用于物联网、边缘算力、AI 推理等前沿计算场景。
二维半导体材料成为破局路径之一
当前，摩尔定律的推进节奏已从传统的 18 - 24 个月晶体管数量翻倍，放缓至每 3 年翻倍，逻辑电路和存储器（如 DRAM）的扩展速度均大幅下降。随着摩尔定律的演进，晶体管尺寸趋近原子级别，量子隧穿效应和散热问题愈发严重，单纯依靠尺寸微缩的技术路径难以为继。与此同时，先进制程研发费用急剧攀升，3nm 以下工艺的研发成本高达数十亿美元，且投资回报周期延长，厂商面临巨大的财务压力。
在后摩尔定律时代，产业界正从多方面寻求破局之道。例如，当下行业热门的先进封装技术，通过系统级封装（SiP）、3D 堆叠、混合键合等方式实现芯片间的高密度互连，以提升整体性能，而非单纯追求单一晶体管密度。还有对过往工艺的深度挖掘，比如通过设计改进（如埋置电源轨、晶体管堆叠）来充分发挥现有制程的潜力，延长摩尔定律的有效期。
材料创新同样是备受瞩目的破局路径。一方面，产业界积极借助量子比特特性或光子传输来突破传统计算瓶颈，以满足特定领域的高算力需求；另一方面，众多机构和企业也在探索二维材料（如石墨烯）、氮化镓（GaN）等，试图突破硅基限制，提升器件性能。
二维材料凭借其原子级厚度、优异的电学特性以及可调控的能带结构，成为突破传统硅基限制的关键技术方向。二维材料能够助力晶体管进一步缩小尺寸，通过二维材料（如 MoS₂）的原子级薄层结构，可以有效抑制量子隧穿效应，提升器件集成密度与能效比。二维材料还可应用于异构集成与柔性电子领域，其高机械柔韧性和低热预算特性，为异质集成（如与硅基芯片结合）以及柔性电子器件的开发提供了支持。实际上，在光电融合领域也可应用此类材料，部分二维材料兼具半导体与光学特性，为光电子集成芯片提供了新的发展路径。
相较于其他二维材料，如石墨烯、六方氮化硼（h - BN）等，二硫化钼具有独特的可调直接带隙特性。单层 MoS₂具有直接带隙（~1.8eV），能够高效吸收可见光，这一特性使其非常适用于光电器件；多层 MoS₂转变为间接带隙（~1.2eV），更契合逻辑晶体管设计，其载流子迁移率（~200 cm²/V・s）显著高于硅基 FinFET 器件。
同时，二硫化钼具备出色的柔性特性，层间弱范德华力使其易于剥离成单层，且具有高机械强度（弹性模量～270GPa）和柔韧性，适用于柔性电子器件。其层状结构赋予了超低摩擦系数，可集成于微机电系统（MEMS）和耐磨损涂层。这也体现了二硫化钼出色的工艺兼容性，它可通过化学气相沉积（CVD）、机械剥离等规模化方法制备，并且与现有硅基工艺兼容性较高。“无极” 芯片的实践充分证明了这一点。综上所述，在后摩尔定律时代，二硫化钼凭借其可调带隙、高载流子迁移率、多晶相灵活性以及成熟的工艺基础，成为二维材料中实现半导体器件升级的核心候选材料。
不过，目前国内机构对二维半导体材料的研究并非仅局限于二硫化钼。例如，2023 年北京大学制备出 10 纳米超短沟道弹道二维硒化铟晶体管，工作电压降至 0.5V，性能首次超越 Intel 商用 10 纳米硅基鳍型晶体管，硒化铟也是一种二维半导体材料。又如，中科院上海微系统所开发出单晶氧化铝栅介质材料（c - Al₂O₃），界面态密度低至 8.4×10⁹ cm⁻² eV⁻¹，成功制备低功耗晶体管阵列，击穿场强达 17.4MV/cm，满足国际器件路线图（IRDS）要求，这同样是对二维半导体材料的探索。此外，中科院半导体所、清华大学等科研机构和高校也都在关注二维半导体材料的研究。
除国内机构外，国际半导体大厂也有诸多关注二维半导体材料的。一个典型案例是，此前北京大学团队研发出全球首款二维 GAAFET 晶体管，该团队称已将其晶体管与英特尔、台积电、三星等公司的产品进行了测试。实际上，近年来英特尔、台积电、三星和欧洲微电子中心等全球领先的半导体制造公司与研究机构，均对二维材料展开了研究，然而相关成果尚未应用于量产工艺。
从这一视角来看，“无极” 芯片的问世更显珍贵，其 70% 的工序兼容特性，有望加速二维半导体材料的产业化进程。
结语
“无极” 的诞生，不仅是半导体技术的一次重大革新，更是中国在基础研究领域突破 “卡脖子” 技术的生动体现。随着二维半导体技术的持续成熟，我们有理由期待，一场由原子级材料引发的 “芯片革命” 即将上演。不过，除了工艺兼容问题，我们还需正视晶圆级二维材料生长技术瓶颈、二维半导体芯片在规模化生产中的稳定性不足，以及专用设备与设计工具缺失等挑战，这些都需要逐一攻克。因此，二维半导体材料的长远发展，依赖于跨学科协同（涵盖材料科学、微电子、设备工程等领域）以及政策扶持，以此推动关键技术突破与产业生态构建。
