全球首发!复旦团队研制二维半导体芯片“无极”
芯片简介
北京时间2025年4月2日晚,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)”,相关成果以《基于二维半导体的RISC - V32比特微处理器》为题发表于《自然》期刊1234。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。
研发背景
摩尔定律正逼近物理极限,硅材料“制霸”集成电路制造业多年,随着器件尺寸不断缩小,硅材料的物理极限成为半导体发展过程中无法避免的挑战。而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。此前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,但要将这些原子级精密元件组装成完整的集成电路系统,受制于工艺精度与规模匀性的协同良率控制,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),始终未能跨越功能性微处理器的技术门槛。
技术突破
集成度突破
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”成功问世,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。
工艺技术创新
低能量加工工艺:二维材料需要通过化学气相沉积(CVD)法来生长,导致材料本身有缺陷和不均匀性。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,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,确保了芯片质量。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,二维半导体必须采用更温和、精细的工艺方法进行雕刻12。
AI驱动工艺优化:二维半导体芯片制作涉及上百道工艺,每步工艺之间相互影响,工艺参数变量组合几乎是天文数字,单靠人工调整参数几乎不可能。团队在前期积累大量工艺参数,让AI计算出最佳工艺配方。通过原子级界面精准调控 + 全流程AI算法优化的双引擎,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。例如在接触层的工艺优化中,团队收集大量历史数据输入AI模型,让其预测最优的接触层生长参数和掺杂浓度;在后道工艺中,也应用AI技术实现多个步骤的精确耦合调控,确保每步操作达到最佳效果。
反相器良率提升
反相器是基础且重要的逻辑电路,其良率直接反映整个芯片的质量。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,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。
性能验证
团队通过严格的自动化测试设备测试,验证了在1kHz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