探索新极限，复旦团队全球首次实现集成度最高的二维半导体处理器

0次浏览发布时间：2025-04-02 23:03:00

随着芯片制程逼近原子尺度，摩尔定律正面临物理极限——晶体管密度每两年翻一番的指数增长已难以延续。

二维半导体是目前国际公认的破局关键途径之一，但要将只有原子厚度的二维半导体组装成完整的集成电路系统却并非易事。此前，国外集成的1比特二维半导体处理器只有115个晶体管，且无法工作。

日前，复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室团队周鹏/包文中联合团队，全球首次实现集成度最高的二维半导体处理器“无极”。在32比特输入指令的控制下，“无极”可实现最大为42亿的数据间加减运算，支持GB级数据存储和访问，以及最长可达10亿条精简指令集的程序编写。北京时间2025年4月2日晚，该成果发表于国际顶尖学术期刊《自然》。

科研人员展示“无极”处理器。黄海华摄

【比硅极限尺寸更小、工艺更简单】

硅作为制造芯片晶体管的“导电通道”材料，目前应用最为广泛，但在某些关键性能上存在局限。比如，其电子迁移率有限，限制了芯片运算速度；导电性不够好，器件容易发烫。特别是当晶体管尺寸缩小至2纳米以下时，容易导致硅器件无法稳定工作。与此同时，极紫外光刻技术在5纳米节点已面临分辨率极限。

有无可能找到比硅极限尺寸更小、工艺更简单的新材料？

近年来，二维半导体材料在集成电路先进制程中的潜力获得学术界和产业界广泛关注，为晶体管设计提供了新范式。二维半导体材料可制造1纳米及以下节点的极薄晶体管，并在原子水平进行精确控制。

二维半导体芯片的基本功能和硅基芯片类似，最基本单元也是晶体管，但二维材料的原子级超薄特性，使其很适合用于一些超低功耗的应用场景，例如无人机、机器人、机器狗，或山地、远洋、航天的一些传感器和芯片。这些场景难以更换电池，因此需要芯片能以极低功耗长期工作。

从制造工艺来说，二维材料垂直方向上的“原子级厚度”，是大自然最宝贵的馈赠，省去了人类千方百计用极紫外光刻机等微纳加工手段才得以实现的结构。二维半导体芯片在二维平面就能以较低加工难度实现与硅基先进制程类似的器件性能，这一定程度上缓解了对先进光刻机的要求；与此同时，工艺步骤也大幅精简，制造成本数量级降低。

【全链条自主研发】

今年，台积电、英特尔、三星等半导体巨头同时将二维半导体纳入其1纳米节点的研发布局。

相较于硅，二维半导体的研发是另一条“跑道”。

复旦团队在这一领域深耕10余年。此次基于二维半导体材料（二硫化钼）研制的32比特处理器“无极”，利用开源指令集计算架构（RISC-V），集成了5900个晶体管，实现了二维半导体材料逻辑功能国际上最大规模验证纪录。

“无极”不依赖极紫外光刻机，而是融合团队自主研发的二维半导体全套集成工艺，完成了从材料到架构再到流片的全链条自主研发。

无极，取自道家核心思想，意为没有边界、没有极限。

“我们在复旦搭建了世界上第一条二维半导体专用试验线。” 复旦微电子学院包文中研究员告诉解放日报记者，团队创新开发了AI驱动的协同工艺优化技术，通过“原子级界面精准调控+全流程AI算法优化”双引擎，实现了从材料生长到集成工艺的精准控制。