【儀表網 研發快訊】近日，二維半導體芯片取得里程碑式突破。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)”。
該成果突破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，是由復旦團隊完成、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，為推動電子與計算技術進入新紀元提供有力支撐。
相關成果于北京時間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)主刊。
115→5900實現二維邏輯芯片最大規模驗證紀錄
面對摩爾定律逼近物理極限的全球性挑戰，具有單個原子層厚度的二維半導體是目前國際公認的破局關鍵，科學家們一直在探索如何將二維半導體材料應用于集成電路中。
十多年來，國際學術界與產業界已掌握晶圓級二維材料生長技術，成功制造出擁有數百個原子長度、若干個原子厚度的高性能基礎器件。但是在復旦團隊取得新突破之前，國際上最高的二維半導體數字電路集成度僅為115個晶體管，由奧地利維也納工業大學團隊在2017年實現。
核心難題在于，要將這些原子級精密元件組裝成完整的集成電路系統，依舊受制于工藝精度與規模勻性的協同良率控制。經過五年攻關，復旦團隊將芯片從陣列級或單管級推向系統級集成，基于二維半導體材料(二硫化鉬MoS2)制造的32位RISC-V架構微處理器“無極(WUJI)”成功問世。
該芯片通過自主創新的特色集成工藝，以及開源簡化指令集計算架構(RISC-V)，集成5900個晶體管，在國際上實現二維邏輯芯片最大規模驗證紀錄。
“反相器是一個非常基礎且重要的邏輯電路，它的良率直接反映了整個芯片的質量。”復旦大學微電子學院教授周鵬介紹，二維材料不像硅晶圓可以通過直拉法生長出高質量的大尺寸單晶，而是需要通過化學氣相沉積(CVD)法來生長，這就導致了材料本身的缺陷和不均勻性。本項研究中的反相器良率高達99.77%，具備單級高增益和關態超低漏電等優異性能，這是一個工程性的突破。
將ENIAC和Intel 4004 以及無極誕生年實現了加法上的運算聯系
“我們要確保每一道工藝都能與其他步驟無縫銜接，從而實現最高良率和最佳性能。”論文共同第一作者、微電子學院直博生敖明睿介紹，團隊制造了900個反相器陣列，每個陣列包含30×30個反相器。經過嚴格測試，發現其中898個反相器的邏輯功能完好無損，翻轉電壓和爭議值都非常理想，領先于同類研究。
“如果把制造硅基芯片比作在石頭上雕刻，那么二維芯片就是在一塊豆腐上雕花。”微電子學院研究員包文中打比方道，二維半導體作為一種最薄的半導體形態，必須采用更溫和、精細的工藝方法進行“雕刻”。
團隊通過柔性等離子(Plasma)處理技術等低能量工藝，對二維半導體表面進行加工，從而避免了高能粒子對材料造成的損害，充分發揮出二維半導體的優勢，也確保芯片質量。
AI for Science高效篩選最優工藝參數組合
二維半導體芯片制作涉及上百道工藝，每步工藝之間還存在相互影響，這些工藝參數變量聯立起來的組合幾乎是天文數字。這也是二維半導體研發的最大難點。
“單靠人工調整參數幾乎是不可能任務。”包文中介紹，在二維半導體領域，研發工藝參數的復雜性遠超傳統硅基工藝。如何才能確保每一道工藝步驟都能與其他步驟協同工作？面對這一挑戰，AI for Science提供了新的解法。
早在2021年，團隊曾在《自然·通訊》(Nature Communications)上發表了一篇文章(https://www.nature.com/articles/s41467-021-26230-x)，探討采用機器學習方法優化工藝參數，此次研究正是在這一基礎上發展而來。“我們在前期積累了大量工藝參數，讓AI計算出最佳工藝配方。如果沒有這些前期的數據積累，AI的效果就會大打折扣。”敖明睿說。
通過“原子級界面精準調控+全流程AI算法優化”的雙引擎，團隊實現了從材料生長到集成工藝的精準控制，在短時間內篩選出最優的工藝參數組合，大大提高了實驗效率。
以接觸層的工藝優化為例，團隊收集了大量歷史數據，包括不同條件下接觸電阻的變化情況。將這些數據輸入AI模型之后，AI模型能在研究人員的指示下，根據已有數據預測最優的接觸層生長參數和摻雜濃度。在后道工藝中，團隊也應用了AI技術，涉及多個步驟的精確耦合調控，確保每步操作達到最佳效果。
成果產品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1 kHz時鐘頻率下，千門級芯片可以串行實現37種32位RISC-V指令，滿足32位RISC-V整型指令集(RV32I)要求。其集成工藝優化程度和規模化電路的驗證結果，均達到了國際同期最優水平。
“這表明我們的芯片不僅可以進行簡單的邏輯運算，還能執行復雜的指令集。”論文共同第一作者、微電子學院直博生周秀誠說。
全鏈條自主研發達到國際領先水平
RISC-V作為一種開源簡化指令集計算架構，已逐漸成為當前芯片研發領域的主流選擇。本次研發的芯片正是采用RISC-V架構作為設計基礎。
“我們的最終目標是將技術送到千家萬戶，建立開放兼容的用戶生態。”微電子學院研究員韓軍在本次工作中負責RISC-V架構設計。他介紹，選擇這一架構意味著對接全球技術標準且無需依賴封閉架構，未來可自主構建用戶生態，不受制于國外廠商的架構和IP專利。
在團隊開發的二維半導體集成工藝中，70%左右的工序可直接沿用現有硅基產線成熟技術，而核心的二維特色工藝也已構建包含20余項工藝發明專利，結合專用工藝設備的自主技術體系，為產業化落地鋪平道路。
下一步，團隊將進一步提高芯片集成度，尋找并搭建穩定的工藝平臺，為未來開發具體的應用產品打下基礎。周鵬提到，在實時信號處理方面，二維半導體芯片有望適用于物聯網、邊緣算力、AI推理等前沿計算場景。
當前，國際上對二維半導體的研究仍在起步階段，尚未實現大規模應用。在全球半導體領域競爭日益激烈的背景下，本次成果意味著中國有機會在二維半導體材料上取得領先優勢。
“我們希望通過持續的技術創新和應用拓展，搶占這一領域的制高點。”周鵬說。
復旦大學集成芯片與系統全國重點實驗室、浙江紹芯實驗室(紹興復旦研究院)、微電子學院周鵬和包文中為論文通訊作者，博士生敖明睿、周秀誠為論文共同第一作者。研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、上海市科委等項目的資助，以及教育部創新平臺的支持。
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