世界首款二维RISC-V MPU！来自复旦团队的“无极”命名

电子爱好者网报道(文章 / 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 构建微控制器 ——"无极（WUJI）"。

据报道，这一结果是在北京时间 4 月 2 “基于二维半导体的夜晚” RISC-V 32 “比特微控制器”(" A RISC-V 32-Bit Microprocessor Based on Two-dimensional Semiconductors ")问题发表在《自然》中（Nature）期刊。论文显示，这一成果突破了二维半导体电子工程化瓶颈，首次实现 5900 一个晶体管的集成度。这一结果选择了具有自主知识产权的国产技术，使我国在新一代芯片材料开发方面具有先发优势。

刷新全球最大规模的二维逻辑芯片验证记录

"无极" 芯片成果的发布，意味着全球二维半导体技术已经从基础设备向系统级集成迈进了重大飞跃。这一突破不仅克服了二维材料工程化应用的核心瓶颈，还展示了中国在下一代半导体领域的战略布局，包括自主产权、工艺创新和工业生态建设。

就材料和结构创新而言，“无极” 二硫化钼用于芯片（MoS ₂）与开源相结合的二维半导体材料 RISC-V 第一次完成指令集架构 5900 晶体管的集成规模远远超过了之前的二维逻辑芯片。 115 一个晶体管的最高记录(奥地利维也纳工业大学团队在这个记录中 2017 年创造）。

二硫化钼具有优良的半导体特性，其原子级厚度仅为 0.65 纳米，自然带隙为 1.8eV，因此，在纳米尺度下仍然可以保持优异的电学性能。通过自主研发的集成技术和周鹏、包文中的联合团队 AI 协同优化技术的驱动，成功地解决了二维材料生长缺陷和工艺均匀性的难题。团队引入机器学习算法，构建了二维芯片制造涉及数百个工艺指标的协同优化问题，构建了机器学习算法 "原子界面调节 全流程 AI 提升" 双引擎系统。经过这次提升，“无极” 关键逻辑电路(如反相器)的芯片良率 99.77%，而且 70% 工艺与现有硅基生产线技术相适应，降低了工业化门槛。

"无极" 芯片的诞生对于我国集成电路产业的发展至关重要。第一，芯片突破了二维半导体系统级集成瓶颈，为后摩尔时代芯片的发展开辟了新的道路；第二，周鹏和包文联合组建了一个包括在内的团队 20 多项专利的核心技术体系，有力地推动了国产芯片技术的自主化进程；第三，“无极” 在大规模集成电路中，芯片验证了二维材料的可行性，扩大了新计算架构的研究边界。

联合团队在周鹏、包文中指出，“无极” 该芯片具有单极高增益、关态极低漏电等优良性能。通过严格的功能测试设备测试，团队验证了这一点 1kHz 在时钟频率下，千门级芯片可串行实现 37 种 32 位 RISC-V 指令，满足 32 位 RISC-V 整形手术指令集(RV32I)要求。其集成工艺的优化程度和大型电路的验证结果，均达到国际同期的最佳水平。

下一步，团队将进一步提高芯片集成度，探索和搭建稳定的工艺平台，为未来开发具体应用产品奠定坚实基础。周鹏表示，二维半导体芯片有望应用于物联网、边缘计算和即时信号处理领域。AI 前沿计算场景，如推理。

二维半导体材料成为破局路径之一

目前，摩尔定律的推进节奏已经从传统上推进。 18 - 24 每月晶体管数量翻倍，放缓至每月。 3 逻辑电路和存储器每年翻一番(例如 DRAM）扩展速度均大幅下降。随著摩尔定律的演变，晶体管尺寸接近原子等级，量子隧穿效应和散热问题日益严重，仅靠尺寸微缩的技术路径步履维艰。同时，先进工艺研发支出急剧上升，3nm 下列技术的研发成本高达数十亿美元，而且投资回报周期增加，厂商面临巨大的财务压力。

后摩尔定律时代，工业界正从各个方面寻找破局之道。例如，目前行业内流行的先进封装技术，通过系统级封装（SiP）、3D 为了提高整体性能，而不是简单地追求单一的晶体管密度，可以通过堆叠、混合键合等方式实现芯片间的高密度互连。还有对过去工艺的深入挖掘，比如充分发挥当前工艺的潜力，增加摩尔定律的有效期，通过设计改进(如埋设电源轨、堆叠晶体管)。

材料创新也是一条引人注目的突破路径。一方面，工业界为了满足特定领域的高计算能力需求，积极利用量子比特或光子传输来打破传统计算瓶颈；另一方面，许多机构和公司也在探索二维材料(如石墨烯)、氮化镓（GaN）等等，试着突破硅基限制，提高设备性能。

二维材料以其原子级薄、电学性能优异、可调节的能带结构，成为打破传统硅基限制的核心技术方向。通过二维材料(例如)，二维材料可以帮助晶体管进一步缩小尺寸 MoS ₂）原子层析结构，能有效抑制量子隧穿效应，提高装置集成密度和能效比。二维材料也可以应用于异构集成和柔性电子领域，其高机械柔性和低烧预算的特点为异质集成(如与硅基芯片结合)和柔性电子设备的研发提供了支持。事实上，这种材料也可以应用于光电结合领域。一些二维材料兼顾了半导体和光学特性，为光电子集成芯片提供了新的发展路线。

与石墨烯、六方氮化硼等其它二维材料相比，（h - BN）等等，二硫化钼具有独特的可调直接带隙特性。单层 MoS ₂直接带孔(~1.8)eV），能有效地吸收能见光，这一特点使得它非常适合光电设备；多层 MoS ₂转变为间接间隙(~1.2)eV），更符合逻辑晶体管设计，其载流子迁移率(~200 cm ² /V・s）明显高于硅基 FinFET 器件。

与此同时，二硫化钼具有优异的软性特性，固层薄弱的范德华力使其易于剥离成单层，并具有高机械强度(弹性模具～柔韧性270GPa，适用于柔性电子设备。其层状结构赋予极低的摩擦阻力，可以集成在微机电系统中（MEMS）和抗磨损涂层。它还体现了二硫化钼优异的工艺兼容性，它可以通过化学气相沉积。（CVD）、制备机械剥离等大规模方法，与现有硅基工艺兼容性较高。"无极" 这一点得到了芯片实践的充分证明。综上所述，在后摩尔定律时代，二硫化钼成为二维材料中半导体器件升级的核心备选材料，具有可调带隙、高载流子迁移率、多晶相灵活性和完善的工艺基础。

然而，目前我国机构对二维半导体材料的研究并非局限于二硫化钼。比如，2023 2008年，北京大学制定 10 纳米超短沟道射速二维硒化硅晶体管，工作电压降至 0.5V，第一次性能超越 Intel 商用 10 硅基鳍型晶体管，硒化邈也是一种二维半导体材料。再比如，中国科学院上海微系统研发的单晶氧化铝栅介质材料（c - Al ₂ O ₃），接口密度低至 8.4 × 10 ⁹ cm ⁻ ² eV ⁻ ¹，低功耗晶体管阵型成功准备，击穿场强度达到 17.4MV/cm，符合国际设备路线图（IRDS）要求，这也是对二维半导体材料的探索。另外，中国科学院半导体研究所、清华大学等科研机构和高校也在关注二维半导体材料的研究。

除了国内机构之外，国际半导体大厂也有很多人关注二维半导体材料。一个经典案例是，北京大学团队发展了世界上第一个二维案例。 GAAFET 晶体管，该团队表示，已经测试了其晶体管与英特尔、台积电、三星等公司的产品。事实上，近年来，世界领先的半导体制造公司和科研机构，如英特尔、台积电、三星和欧洲微电子中心，都对二维材料进行了研究，但相关成果尚未应用于量产过程。

从这个角度来看，“无极” 芯片的出现更加珍贵，它的出现更加珍贵。 70% 工艺适应特点，有望加快二维半导体材料的工业化进程。

结语

"无极" 它的出现，不仅是半导体技术的一大创新，也是中国在基础研究领域的突破 "卡脖子" 生动地体现了技术。伴随着二维半导体技术的不断完善，我们有理由期待原子级材料引起的一场比赛。 “芯片革命” 即将上演。但除了技术兼容性问题外，还需要正视晶圆二维材料生长技术瓶颈、规模化生产中二维半导体芯片稳定性不足、缺乏专业设备和设计工具等挑战。，所有这些都必须一一突破。因此，二维半导体材料的长远发展取决于跨学科协同(包括材料科学、微电子、设备工程等领域)和政策支持，从而推动核心技术突破和产业生态建设。

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