集成5900个晶体管 大幅度提高算力

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》

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、若干个原子厚度的高性能基础器件。但要将这些“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处理器的技术门槛。

“之前二维逻辑功能最大规模验证的最高纪录是115个，而且是不带时钟逻辑。可以说，我们创造了一个历史记录。”周鹏说，在5V的低压下，“无极”在32位输入指令的控制下，可以实现最大为42亿的数据间加减运算，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。“提高人工智能算力需要极大的能源消耗，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。”

复旦团队在二维半导体集成电路领域深耕十余年。特别是团队创新开发的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”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。

周鹏说，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。

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1千赫兹时钟频率下，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。

将ENIAC和Intel 4004 以及无极诞生年实现了加法上的运算联系

“大学的作用帮助产业界排除前行的困难，这个成果也让产业界知晓，二维半导体可以做成处理器。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力。同时，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。