電子發燒友網報道（文/吳子鵬） 近日，復旦大學集成芯片與系統全國重點實驗室周鵬、包文中聯合團隊成功研制出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）”。

“無極” 芯片，圖源：復旦大學

據悉，該成果于北京時間 4 月 2 日晚間以《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”）為題發表于《自然》（Nature）期刊。論文顯示，這項成果突破了二維半導體電子學工程化瓶頸，首次實現 5900 個晶體管的集成度。該成果采用具有自主知識產權的國產技術，使我國在新一代芯片材料研制中占據先發優勢。

刷新全球二維邏輯芯片最大規模驗證紀錄

“無極” 芯片成果的發布，標志著全球二維半導體技術從基礎器件邁向系統級集成的重大跨越。這一突破不僅攻克了二維材料工程化應用的核心瓶頸，更在自主知識產權、工藝創新和產業生態構建等方面，彰顯出中國在下一代半導體領域的戰略布局。

在材料與架構創新層面，“無極” 芯片選用二硫化鉬（MoS?）作為二維半導體材料，并結合開源的 RISC-V 指令集架構，首次達成 5900 個晶體管的集成規模，遠超此前二維邏輯芯片 115 個晶體管的最高紀錄（該紀錄由奧地利維也納工業大學團隊于 2017 年創造）。

二硫化鉬具備卓越的半導體特性，其原子級厚度僅為 0.65 納米，天然帶隙為 1.8eV，這使其在納米尺度下依然能維持優異的電學性能。周鵬、包文中聯合團隊通過自主研發的集成工藝以及 AI 驅動的協同優化技術，成功解決了二維材料生長缺陷與工藝均勻性難題。面對二維芯片制造中涉及的上百道工藝參數的協同優化難題，團隊引入機器學習算法，構建了 “原子級界面調控 + 全流程 AI 優化” 雙引擎系統。經此優化，“無極” 芯片的關鍵邏輯電路（如反相器）良率達到 99.77%，并且 70% 的工序與現有硅基產線技術兼容，降低了產業化的門檻。

“無極” 芯片的誕生，對我國集成電路產業發展意義重大。其一，該芯片突破了二維半導體系統級集成瓶頸，為后摩爾時代芯片發展開辟了新路徑；其二，周鵬、包文中聯合團隊構建了包含 20 余項專利的核心工藝體系，有力推動了國產芯片技術自主化進程；其三，“無極” 芯片驗證了二維材料在大規模集成電路中應用的可行性，拓展了新型計算架構的研究邊界。

周鵬、包文中聯合團隊指出，“無極” 芯片具備單級高增益和關態超低漏電等優異性能。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，千門級芯片能夠串行實現 37 種 32 位 RISC-V 指令，滿足 32 位 RISC-V 整型指令集（RV32I）要求。其集成工藝的優化程度以及規模化電路的驗證結果，均達到國際同期最優水平。

下一步，團隊將進一步提升芯片集成度，探尋并搭建穩定的工藝平臺，為未來開發具體應用產品筑牢基礎。周鵬表示，在實時信號處理領域，二維半導體芯片有望應用于物聯網、邊緣算力、AI 推理等前沿計算場景。

二維半導體材料成為破局路徑之一

當前，摩爾定律的推進節奏已從傳統的 18 - 24 個月晶體管數量翻倍，放緩至每 3 年翻倍，邏輯電路和存儲器（如 DRAM）的擴展速度均大幅下降。隨著摩爾定律的演進，晶體管尺寸趨近原子級別，量子隧穿效應和散熱問題愈發嚴重，單純依靠尺寸微縮的技術路徑難以為繼。與此同時，先進制程研發費用急劇攀升，3nm 以下工藝的研發成本高達數十億美元，且投資回報周期延長，廠商面臨巨大的財務壓力。

在后摩爾定律時代，產業界正從多方面尋求破局之道。例如，當下行業熱門的先進封裝技術，通過系統級封裝（SiP）、3D 堆疊、混合鍵合等方式實現芯片間的高密度互連，以提升整體性能，而非單純追求單一晶體管密度。還有對過往工藝的深度挖掘，比如通過設計改進（如埋置電源軌、晶體管堆疊）來充分發揮現有制程的潛力，延長摩爾定律的有效期。

材料創新同樣是備受矚目的破局路徑。一方面，產業界積極借助量子比特特性或光子傳輸來突破傳統計算瓶頸，以滿足特定領域的高算力需求；另一方面，眾多機構和企業也在探索二維材料（如石墨烯）、氮化鎵（GaN）等，試圖突破硅基限制，提升器件性能。

二維材料憑借其原子級厚度、優異的電學特性以及可調控的能帶結構，成為突破傳統硅基限制的關鍵技術方向。二維材料能夠助力晶體管進一步縮小尺寸，通過二維材料（如 MoS?）的原子級薄層結構，可以有效抑制量子隧穿效應，提升器件集成密度與能效比。二維材料還可應用于異構集成與柔性電子領域，其高機械柔韌性和低熱預算特性，為異質集成（如與硅基芯片結合）以及柔性電子器件的開發提供了支持。實際上，在光電融合領域也可應用此類材料，部分二維材料兼具半導體與光學特性，為光電子集成芯片提供了新的發展路徑。

相較于其他二維材料，如石墨烯、六方氮化硼（h - BN）等，二硫化鉬具有獨特的可調直接帶隙特性。單層 MoS?具有直接帶隙（~1.8eV），能夠高效吸收可見光，這一特性使其非常適用于光電器件；多層 MoS?轉變為間接帶隙（~1.2eV），更契合邏輯晶體管設計，其載流子遷移率（~200 cm2/V?s）顯著高于硅基 FinFET 器件。

同時，二硫化鉬具備出色的柔性特性，層間弱范德華力使其易于剝離成單層，且具有高機械強度（彈性模量～270GPa）和柔韌性，適用于柔性電子器件。其層狀結構賦予了超低摩擦系數，可集成于微機電系統（MEMS）和耐磨損涂層。這也體現了二硫化鉬出色的工藝兼容性，它可通過化學氣相沉積（CVD）、機械剝離等規模化方法制備，并且與現有硅基工藝兼容性較高。“無極” 芯片的實踐充分證明了這一點。綜上所述，在后摩爾定律時代，二硫化鉬憑借其可調帶隙、高載流子遷移率、多晶相靈活性以及成熟的工藝基礎，成為二維材料中實現半導體器件升級的核心候選材料。

不過，目前國內機構對二維半導體材料的研究并非僅局限于二硫化鉬。例如，2023 年北京大學制備出 10 納米超短溝道彈道二維硒化銦晶體管，工作電壓降至 0.5V，性能首次超越 Intel 商用 10 納米硅基鰭型晶體管，硒化銦也是一種二維半導體材料。又如，中科院上海微系統所開發出單晶氧化鋁柵介質材料（c - Al?O?），界面態密度低至 8.4×10? cm?2 eV?1，成功制備低功耗晶體管陣列，擊穿場強達 17.4MV/cm，滿足國際器件路線圖（IRDS）要求，這同樣是對二維半導體材料的探索。此外，中科院半導體所、清華大學等科研機構和高校也都在關注二維半導體材料的研究。

除國內機構外，國際半導體大廠也有諸多關注二維半導體材料的。一個典型案例是，此前北京大學團隊研發出全球首款二維 GAAFET 晶體管，該團隊稱已將其晶體管與英特爾、臺積電、三星等公司的產品進行了測試。實際上，近年來英特爾、臺積電、三星和歐洲微電子中心等全球領先的半導體制造公司與研究機構，均對二維材料展開了研究，然而相關成果尚未應用于量產工藝。

從這一視角來看，“無極” 芯片的問世更顯珍貴，其 70% 的工序兼容特性，有望加速二維半導體材料的產業化進程。

結語

“無極” 的誕生，不僅是半導體技術的一次重大革新，更是中國在基礎研究領域突破 “卡脖子” 技術的生動體現。隨著二維半導體技術的持續成熟，我們有理由期待，一場由原子級材料引發的 “芯片革命” 即將上演。不過，除了工藝兼容問題，我們還需正視晶圓級二維材料生長技術瓶頸、二維半導體芯片在規模化生產中的穩定性不足，以及專用設備與設計工具缺失等挑戰，這些都需要逐一攻克。因此，二維半導體材料的長遠發展，依賴于跨學科協同（涵蓋材料科學、微電子、設備工程等領域）以及政策扶持，以此推動關鍵技術突破與產業生態構建。

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