北京
本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）综合
周鹏团队成功研制32位二维半导体微处理器“无极”。
面对摩尔定律逼近物理极限的全球性挑战，具有单个原子层厚度的二维半导体是目前国际公认的破局关键，科学家们一直在探索如何将二维半导体材料应用于集成电路中。
十多年来，国际学术界与产业界已掌握晶圆级二维材料生长技术，成功制造出拥有数百个原子长度、若干个原子厚度的高性能基础器件。但是在复旦团队取得新突破之前，国际上最高的二维半导体数字电路集成度仅为115个晶体管，由奥地利维也纳工业大学团队在2017年实现。
核心难题在于，要将这些原子级精密元件组装成完整的集成电路系统，依旧受制于工艺精度与规模匀性的协同良率控制。
2025年4月2日，“科学探索奖”信息电子领域获奖人、复旦大学微电子学院周鹏与复旦大学包文中联合团队，在Nature发表题为“A RISC-V 32-Bit Microprocessor Based on Two-dimensional Semiconductors”（基于二维半导体的RISC-V 32比特微处理器）的研究论文。
该团队突破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（二硫化钼MoS2）的32位RISC-V架构微处理器“无极（WUJI）”。在32位输入指令的控制下，“无极（WUJI）”可以实现最大为42亿的数据间的加减运算，支持GB级数据存储和访问，以及最长可达10亿条精简指令集的程序编写。
“无极（WUJI）”的成功问世，标志着经过五年技术攻关和迭代，周鹏、包文中联合团队取得突破性成果。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。
“我们用微米级的工艺做到纳米级的功耗。而极低功耗的CPU可以助力人工智能更广泛应用。”周鹏说。
据介绍，团队创新开发的AI驱动的一贯式协同工艺优化技术，通过“原子级界面精准调控+全流程AI算法优化”双引擎，实现了从材料生长到集成工艺的精准控制。“无极（WUJI）”的工艺流程非常复杂，参数设置依靠人工很难完成。引入机器学习AI赋能后，可以迅速确定参数优化窗口，提升晶体管良率。在这些二维半导体集成工艺中，70%左右的工序可直接沿用现有硅基产线成熟技术，而核心的二维特色工艺也已构建包含20余项工艺发明专利，结合专用工艺设备的自主技术体系，为未来的产业化落地铺平道路。
该研究工作中，团队解决了二维材料-接触-栅介质-后道工艺的精确耦合调控难题，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备测试，验证了在1 kHz时钟频率下，在千门级电路上可以串行实现37种32位RISC-V指令，满足32位RISC-V整型指令集（RV32I）要求。其集成工艺优化程度和规模化电路验证结果，均达到了国际同期最优水平。
二维半导体不会取代硅
“正如地铁出现以后，公交车依然有其价值，二维半导体芯片和硅基芯片是互补的关系。”周鹏表示，“‘无极’用的是微米级的工艺，其功耗和纳米级芯片的功耗相当，如果采用更好的光刻机设备，功耗将进一步降低，将来在对低功耗有着更高要求的设备上更具优势。”
周鹏同时强调：“‘无极’只是概念验证原型，整体性能和目前商用的芯片仍存在一定距离，目前并不具备市场优势。”
团队正在为“无极”的转化落地而努力。他们将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力。在产业化进程上，团队也在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，并在与相关企业和机构合作，使其能够尽快在实际产品中发挥作用。
包文中表示，过去几十年间集成电路的发展也为二维半导体芯片的产业化发展积累了丰富的经验，“有理由相信，二维半导体芯片的性能可以在较短的时间里追上硅基芯片，最终形成和硅基芯片长期共存、应用互补的局面。”
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