作者：吳苡婷

過(guò)5年技術(shù)攻關(guān)和迭代

復(fù)旦大學(xué)周鵬、包文中聯(lián)合團(tuán)隊(duì) 突破了二維半導(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)體材料的32位RISC-V架構(gòu)微處理器“無(wú)極（WUJI）”

該處理器通過(guò)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)

4月2日晚

相關(guān)論文發(fā)表于國(guó)際頂尖期刊《自然》

從數(shù)百到5900的跨越

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。歷經(jīng)國(guó)際學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界十余年攻關(guān)，科學(xué)家們已掌握晶圓級(jí)二維材料生長(zhǎng)技術(shù)，并成功制造出只有數(shù)百個(gè)原子長(zhǎng)度、若干個(gè)原子厚度的高性能基礎(chǔ)器件。但要將這些“原子級(jí)精密元件”組裝成完整的集成電路系統(tǒng)，卻始終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(mén)檻。

“之前二維邏輯功能最大規(guī)模驗(yàn)證的最高紀(jì)錄是115個(gè)，而且是不帶時(shí)鐘邏輯?？梢哉f(shuō)，我們創(chuàng)造了一個(gè)歷史記錄?！敝荠i說(shuō)，在5V的低壓下，“無(wú)極”在32位輸入指令的控制下，可以實(shí)現(xiàn)最大為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(xiě)?！疤岣呷斯ぶ悄芩懔π枰獦O大的能源消耗，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可以助力人工智能更廣泛應(yīng)用?！?/p>

提前驗(yàn)證二維材料使用路徑

復(fù)旦團(tuán)隊(duì)在二維半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域深耕十余年。特別是團(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?！盁o(wú)極”的工藝流程非常復(fù)雜，參數(shù)設(shè)置依靠人工很難完成。引入機(jī)器學(xué)習(xí)AI賦能后，可以迅速確定參數(shù)優(yōu)化窗口，提升晶體管良率。

周鵬說(shuō)，在這些二維半導(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(zhuān)利、結(jié)合專(zhuān)用工藝設(shè)備的自主技術(shù)體系，為未來(lái)的產(chǎn)業(yè)化落地鋪平道路。

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。其中，反相器良率高達(dá)99.77%，具備單級(jí)高增益和關(guān)態(tài)超低漏電等優(yōu)異性能。通過(guò)嚴(yán)格的自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備測(cè)試，驗(yàn)證了在1千赫茲時(shí)鐘頻率下，在千門(mén)級(jí)電路上可以串行實(shí)現(xiàn)37種32位RISC-V指令，滿(mǎn)足32位RISC-V整型指令集要求。其集成工藝優(yōu)化程度和規(guī)模化電路驗(yàn)證結(jié)果，均達(dá)到了國(guó)際同期最優(yōu)水平。

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將ENIAC和Intel 4004 以及無(wú)極誕生年實(shí)現(xiàn)了加法上的運(yùn)算聯(lián)系

“大學(xué)的作用幫助產(chǎn)業(yè)界排除前行的困難，這個(gè)成果也讓產(chǎn)業(yè)界知曉，二維半導(dǎo)體可以做成處理器。我們做了一件正確而困難的事情?！敝荠i說(shuō)，團(tuán)隊(duì)還將致力于進(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，使其在更多應(yīng)用場(chǎng)景中具備更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，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。

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、國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市科委等項(xiàng)目的資助，以及教育部創(chuàng)新平臺(tái)的支持。