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【导语】复旦大学周鹏、包文中联合团队历经5年技术攻关，成功研制出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）”。该处理器在国际上实现了二维逻辑功能最大规模验证纪录，集成5900个晶体管，完成了从材料到架构再到流片的全链条自主研发。4月2日晚，相关研究成果发表于国际顶尖期刊《自然》。这一突破不仅解决了二维半导体集成工艺中的关键技术难题，还为二维半导体材料在处理器领域的产业化应用铺平了道路。

作者：吴苡婷

过5年技术攻关和迭代

复旦大学周鹏、包文中联合团队 突破了二维半导体电子学集成度瓶颈，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）”

该处理器通过自主创新的特色集成工艺

通过开源简化指令集计算架构（RISC-V）

在国际上实现了

二维逻辑功能最大规模验证纪录

（集成5900个晶体管）

完成了从材料到架构再到流片的

全链条自主研发

4月2日晚

相关论文发表于国际顶尖期刊《自然》

从数百到5900的跨越

面对摩尔定律逼近物理极限的全球性挑战，具有原子层厚度的二维半导体是目前国际公认的破局关键。历经国际学术界与产业界十余年攻关，科学家们已掌握晶圆级二维材料生长技术，并成功制造出只有数百个原子长度、若干(gàn)个(gè)原(yuán)子(zi)厚(hòu)度(dù)的(de)高(gāo)性(xìng)能(néng)基(jī)础(chǔ)器(qì)件(jiàn)。但(dàn)要(yào)将这些“原子级精密元件”组装成完整的集成电路系统，却始终受困于工艺精度与规模均匀性的协同良率控制难题。过去最高集成度仅停留在数百晶体管量级，始终未能跨越功能性微(wēi)处(chù)理(lǐ)器(qì)的(de)技(jì)术(shù)门(mén)槛(kǎn)。

“之(zhī)前(qián)二(èr)维(wéi)逻(luó)辑(ji)功(gōng)能(néng)最(zuì)大(dà)规(guī)模(mó)验(yàn)证(zhèng)的(de)最(zuì)高(gāo)纪(jì)录(lù)是(shì)115个(gè)，而(ér)且(qiě)是(shì)不(bù)带(dài)时(shí)钟(zhōng)逻(luó)辑(ji)。可(kě)以(yǐ)说(shuō)，我(wǒ)们(men)创(chuàng)造(zào)了(le)一(yī)个(gè)历(lì)史(shǐ)记(jì)录(lù)。”周(zhōu)鹏(péng)说(shuō)，在(zài)5V的(de)低(dī)压(yā)下(xià)，“无(wú)极(jí)”在(zài)32位(wèi)输(shū)入(rù)指(zhǐ)令(lìng)的(de)控(kòng)制(zhì)下(xià)，可(kě)以(yǐ)实(shí)现(xiàn)最(zuì)大(dà)为(wèi)42亿(yì)的(de)数(shù)据(jù)间(jiān)加(jiā)减(jiǎn)运(yùn)算(suàn)，支(zhī)持(chí)GB级(jí)数(shù)据(jù)存(cún)储(chǔ)和(hé)访(fǎng)问(wèn)，以(yǐ)及(jí)最(zuì)长(zhǎng)可(kě)达(dá)10亿(yì)条(tiáo)精(jīng)简(jiǎn)指(zhǐ)令(lìng)集的(de)程(chéng)序(xù)编(biān)写(xiě)。“提(tí)高(gāo)人(rén)工(gōng)智(zhì)能(néng)算(suàn)力(lì)需(xū)要(yào)极(jí)大(dà)的(de)能(néng)源(yuán)消(xiāo)耗(hào)，我(wǒ)们(men)用(yòng)微(wēi)米(mǐ)级(jí)的(de)工(gōng)艺(yì)做(zuò)到(dào)纳(nà)米(mǐ)级(jí)的(de)功(gōng)耗(hào)。而(ér)极(jí)低(dī)功(gōng)耗(hào)的(de)CPU可(kě)以(yǐ)助(zhù)力(lì)人(rén)工(gōng)智(zhì)能(néng)更(gèng)广(guǎng)泛(fàn)应(yīng)用(yòng)。”

提(tí)前(qián)验(yàn)证(zhèng)二(èr)维(wéi)材(cái)料(liào)使(shǐ)用(yòng)路径

复(fù)旦(dàn)团(tuán)队(duì)在(zài)二(èr)维(wéi)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)集成(chéng)电(diàn)路领(lǐng)域深(shēn)耕(gēng)十(shí)余(yú)年(nián)。特(tè)别(bié)是(shì)团(tuán)队(duì)创(chuàng)新(xīn)开(kāi)发(fā)的(de)AI驱(qū)动(dòng)的(de)一(yī)贯(guàn)式(shì)协(xié)同(tóng)工(gōng)艺(yì)优(yōu)化(huà)技(jì)术(shù)，通(tōng)过(guò)“原(yuán)子(zi)级(jí)界(jiè)面(miàn)精(jīng)准(zhǔn)调(diào)控(kòng)+全流(liú)程(chéng)AI算(suàn)法(fǎ)优(yōu)化(huà)”双(shuāng)引(yǐn)擎(qíng)，实(shí)现(xiàn)了(le)从(cóng)材(cái)料(liào)生(shēng)长(zhǎng)到(dào)集成(chéng)工(gōng)艺(yì)的(de)精(jīng)准(zhǔn)控(kòng)制(zhì)。“无(wú)极(jí)”的(de)工(gōng)艺(yì)流(liú)程(chéng)非(fēi)常(cháng)复(fù)杂(zá)，参(cān)数(shù)设(shè)置(zhì)依(yī)靠(kào)人(rén)工(gōng)很(hěn)难(nán)完(wán)成(chéng)。引(yǐn)入(rù)机(jī)器(qì)学(xué)习(xí)AI赋(fù)能(néng)后(hòu)，可(kě)以(yǐ)迅(xùn)速(sù)确(què)定(dìng)参(cān)数(shù)优(yōu)化(huà)窗(chuāng)口(kǒu)，提(tí)升(shēng)晶(jīng)体(tǐ)管(guǎn)良(liáng)率(lǜ)。

周(zhōu)鹏(péng)说(shuō)，在(zài)这(zhè)些(xiē)二(èr)维(wéi)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)集成(chéng)工(gōng)艺(yì)中(zhōng)，70%左(zuǒ)右(yòu)的(de)工(gōng)序(xù)可(kě)直(zhí)接(jiē)沿(yán)用(yòng)现(xiàn)有(yǒu)硅(guī)基(jī)产(chǎn)线(xiàn)成(chéng)熟(shú)技(jì)术(shù)，而(ér)核(hé)心(xīn)的(de)二(èr)维(wéi)特(tè)色(sè)工(gōng)艺(yì)也(yě)已(yǐ)构(gòu)建(jiàn)包(bāo)含(hán)20余(yú)项(xiàng)工(gōng)艺(yì)发(fā)明(míng)专(zhuān)利(lì)、结(jié)合(hé)专(zhuān)用(yòng)工(gōng)艺(yì)设(shè)备(bèi)的(de)自(zì)主技(jì)术(shù)体(tǐ)系(xì)，为(wèi)未(wèi)来(lái)的(de)产(chǎn)业(yè)化(huà)落(luò)地(de)铺(pù)平(píng)道(dào)路。

团(tuán)队(duì)解(jiě)决(jué)了(le)二(èr)维(wéi)材(cái)料(liào)-接(jiē)触(chù)-栅(zhà)介(jiè)质(zhì)-后(hòu)道(dào)工(gōng)艺(yì)的(de)精(jīng)确(què)耦(ǒu)合(hé)调(diào)控难题，利用原子级精度的加工和表征技术，验证了规模化的数字电路。其中，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。通过严格的自动化测试设(shè)备(bèi)测(cè)试(shì)，验(yàn)证(zhèng)了(le)在(zài)1千(qiān)赫(hè)兹(zī)时(shí)钟(zhōng)频(pín)率(lǜ)下(xià)，在(zài)千(qiān)门(mén)级(jí)电(diàn)路上(shàng)可(kě)以(yǐ)串(chuàn)行(xíng)实(shí)现(xiàn)37种(zhǒng)32位(wèi)RISC-V指(zhǐ)令(lìng)，满(mǎn)足(zú)32位(wèi)RISC-V整(zhěng)型(xíng)指(zhǐ)令(lìng)集要(yào)求(qiú)。其(qí)集成(chéng)工(gōng)艺(yì)优(yōu)化(huà)程(chéng)度(dù)和(hé)规(guī)模(mó)化(huà)电(diàn)路验(yàn)证(zhèng)结(jié)果(guǒ)，均(jūn)达(dá)到(dào)了(le)国(guó)际(jì)同(tóng)期(qī)最(zuì)优(yōu)水(shuǐ)平(píng)。

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将(jiāng)ENIAC和(hé)Intel 4004 以(yǐ)及(jí)无(wú)极(jí)诞(dàn)生(shēng)年(nián)实(shí)现(xiàn)了(le)加(jiā)法(fǎ)上(shàng)的(de)运(yùn)算(suàn)联(lián)系(xì)

“大(dà)学(xué)的(de)作(zuò)用(yòng)帮(bāng)助(zhù)产(chǎn)业(yè)界(jiè)排(pái)除(chú)前(qián)行(xíng)的(de)困(kùn)难(nán)，这(zhè)个(gè)成(chéng)果(guǒ)也(yě)让(ràng)产(chǎn)业(yè)界(jiè)知(zhī)晓(xiǎo)，二(èr)维(wéi)半(bàn)导(dǎo)体(tǐ)可(kě)以(yǐ)做(zuò)成(chéng)处(chù)理(lǐ)器(qì)。我们做了一件正确而困难的事情。”周鹏说，团队还将致力于进一步提升二维电子器件的性能和集成度，突破当前晶体管集成度的瓶颈，使其在更多应用场景中具备更强的竞争(zhēng)力(lì)。同(tóng)时，将加强与现有硅基产线技术的结合，推动核心二维特色工艺的产业化应用。

复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室包文中和周鹏为论文通讯作者，博士生敖明睿、周秀诚为论文第一作者。研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市科委等项目的资助，以及教育部创新平台的支持。