近期，復(fù)旦大學(xué)周鵬、包文中聯(lián)合團(tuán)隊(duì)突破二維半導(dǎo)體電子學(xué)集成度瓶頸，成功研制全球首款基于二維半導(dǎo)體材料（二硫化鉬MoS2）的32位RISC-V架構(gòu)微處理器“無(wú)極（WUJI）”。

二維半導(dǎo)體微處理器“無(wú)極（WUJI）”。本文圖除標(biāo)注外均為 復(fù)旦大學(xué) 供圖

澎湃新聞（m.dbgt.com.cn）記者了解到，在32位輸入指令的控制下，“無(wú)極”可實(shí)現(xiàn)最大42億的數(shù)據(jù)間加減運(yùn)算，支持GB級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)，以及最長(zhǎng)可達(dá)10億條精簡(jiǎn)指令集的程序編寫，或?qū)榈涂战?jīng)濟(jì)、機(jī)器人等產(chǎn)業(yè)帶來(lái)更廣闊前景。“我們用微米級(jí)的工藝做到納米級(jí)的功耗，而極低功耗的CPU可以助力人工智能實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。”周鵬說(shuō)。

從單原子層材料到集成電路流程示意圖

北京時(shí)間2025年4月3日凌晨，相關(guān)成果以《基于二維半導(dǎo)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(fā)表于國(guó)際頂尖期刊《自然》（Nature）。

面對(duì)摩爾定律逼近物理極限的全球性挑戰(zhàn)，具有原子層厚度的二維半導(dǎo)體是目前國(guó)際公認(rèn)的破局關(guān)鍵。要將“原子級(jí)精密元件”組裝成完整的集成電路系統(tǒng)，受困于工藝精度與規(guī)模均勻性的協(xié)同良率控制難題，過(guò)去最高集成度僅停留在數(shù)百晶體管量級(jí)，始終未能跨越功能性微處理器的技術(shù)門檻。

經(jīng)過(guò)五年的技術(shù)攻關(guān)和迭代，周鵬、包文中聯(lián)合團(tuán)隊(duì)取得突破性成果。據(jù)介紹，“無(wú)極”處理器使用了自主創(chuàng)新的特色集成工藝，通過(guò)開(kāi)源簡(jiǎn)化指令集計(jì)算架構(gòu) （RISC-V），在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)了二維邏輯功能最大規(guī)模驗(yàn)證紀(jì)錄（集成5900個(gè)晶體管），完成了從材料到架構(gòu)再到流片的全鏈條自主研發(fā)。此外，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的AI驅(qū)動(dòng)的一貫式協(xié)同工藝優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)“原子級(jí)界面精準(zhǔn)調(diào)控+全流程AI算法優(yōu)化”雙引擎，實(shí)現(xiàn)了從材料生長(zhǎng)到集成工藝的精準(zhǔn)控制。在其二維半導(dǎo)體集成工藝中，70%左右的工序可直接沿用現(xiàn)有硅基產(chǎn)線的成熟技術(shù)，而核心的二維特色工藝也已構(gòu)建包含20余項(xiàng)工藝發(fā)明專利。

實(shí)驗(yàn)室中的“無(wú)極”微處理器  澎湃新聞?dòng)浾?鞠文韜 攝

周鵬介紹，“無(wú)極”在研究周期中迭代了很多次，“一直以來(lái)，我們希望做的是根技術(shù)、源技術(shù)，通過(guò)基礎(chǔ)性、原理性的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)一些真正改變產(chǎn)業(yè)的事情。踏足這種基礎(chǔ)研究無(wú)人區(qū)時(shí)，更多是自我要求帶來(lái)的‘痛苦’，而不是考核帶來(lái)的‘痛苦’?！?/p>

在研究工作中，團(tuán)隊(duì)解決了二維材料-接觸-柵介質(zhì)-后道工藝的精確耦合調(diào)控難題，利用原子級(jí)精度的加工和表征技術(shù)，驗(yàn)證了規(guī)模化的數(shù)字電路。在技術(shù)突破方面，團(tuán)隊(duì)將致力于進(jìn)一步提升二維電子器件的性能和集成度，突破當(dāng)前晶體管集成度的瓶頸。

未來(lái)，這一研究成果也將為低空經(jīng)濟(jì)、機(jī)器人等產(chǎn)業(yè)帶來(lái)更大潛能。包文中研究員告訴澎湃新聞?dòng)浾撸骸盁o(wú)人機(jī)等本身電池容量較為有限，續(xù)航的大部分電力用在螺旋槳上，如果再搭一塊算力芯片，電池的電量被分掉、續(xù)航里程會(huì)降低。所以在無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等對(duì)功耗非常敏感的場(chǎng)景下，芯片就需要做得非常小、功耗要非常低，二維半導(dǎo)體恰恰非常適合在這種場(chǎng)景中應(yīng)用?！?/p>

包文中表示，目前的研究剛剛跨出實(shí)驗(yàn)室、實(shí)現(xiàn)了概念驗(yàn)證的第一步。在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程上，團(tuán)隊(duì)將加強(qiáng)與現(xiàn)有硅基產(chǎn)線技術(shù)的結(jié)合，推動(dòng)核心二維特色工藝的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。未來(lái)需要通過(guò)與相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)的“接棒”合作，加快二維半導(dǎo)體電子器件從實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)的轉(zhuǎn)化速度，使其能夠盡快在實(shí)際產(chǎn)品中發(fā)揮作用。

研究團(tuán)隊(duì)

復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室包文中和周鵬為論文通訊作者，博士生敖明睿、周秀誠(chéng)為論文第一作者。研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、基金委重要領(lǐng)軍人才計(jì)劃、上海市基礎(chǔ)特區(qū)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助，以及教育部創(chuàng)新平臺(tái)的支持。