作者 | ZeR0

编辑 | 漠影

芯东西4月3日报道，昨夜，二维半导体芯片里程碑式突破登上国际顶级学术期刊Nature：全球首颗二维半导体32位微处理器横空出世，来自中国团队！

这项突破由复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室周鹏、包文中联合团队实现，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）”。

面对摩尔定律逼近物理极限的挑战，具有单个原子层厚度的二维半导体是国际公认的破局关键。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。但此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。

据复旦大学公众号发文，“无极”突破二维半导体电子学工程化瓶颈，首次实现5900颗晶体管的集成度，使我国在新一代芯片材料研制中占据先发优势。

论文题目为《基于二维半导体的RISC-V 32比特微处理器》（“A RISC-V 32-Bit Microprocessor Based on Two-dimensional Semiconductors”）。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08759-9

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。

复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室、浙江绍芯实验室（绍兴复旦研究院）、微电子学院周鹏和包文中为论文通讯作者，博士生敖明睿、周秀诚为论文共同第一作者。

据周鹏分享，在实时信号处理方面，二维半导体芯片有望适用于物联网、边缘算力、AI推理等前沿计算场景。

一、5900颗晶体管、堪比“豆腐雕花”，实现二维逻辑芯片最大规模验证纪录

“如果把制造硅基芯片比作在石头上雕刻，那么二维芯片就是在一块豆腐上雕花。”微电子学院研究员包文中打比方说，二维半导体作为一种最薄的半导体形态，必须采用更温和、精细的工艺方法进行“雕刻”。

由于传统半导体的固有局限性，近年来对后硅半导体的追求不断升级，这些局限性受到诸如漏极诱导的势垒降低、界面散射诱导的迁移率下降以及由半导体带宽决定的受限电流开/关比等问题的困扰。

这些挑战促使人们寻找更先进的材料，原子层厚度的二维半导体成为一种潜在的解决方案。

经过十多年的研究进展，晶圆级增长和器件制造的最新发展促成了二维半导体电子学的突破，但集成水平仍然局限于几百个晶体管。

复旦团队经过五年攻关，将芯片从阵列级或单管级推向系统级集成，基于二维半导体材料（二硫化钼MoS2）制造出32位RISC-V架构微处理器“无极（WUJI）”，通过自主创新的特色集成工艺，以及开源简化指令集计算架构（RISC-V），集成5900颗晶体管，在国际上实现二维逻辑芯片最大规模验证纪录。

要将原子级精密元件组装成完整的集成电路系统，受制于工艺精度与规模匀性的协同良率控制。

为了配合硅集成电路的发展，复旦团队优化了二维逻辑电路的工艺流程和设计，通过柔性等离子（Plasma）处理技术等低能量工艺，对二维半导体表面进行加工，从而避免了高能粒子对材料造成的损害，充分发挥出二维半导体的优势，也确保芯片质量。

反相器的良率直接反映了整个芯片的质量。本项研究中的反相器良率高达99.77%，具备单级高增益和关态超低漏电等优异性能。

复旦团队制造了900个反相器阵列，每个阵列包含30×30个反相器。经严格测试，其中898个反相器的逻辑功能完好无损，翻转电压和争议值都非常理想，领先于同类研究。

▲将ENIAC和Intel 4004以及无极诞生年实现了加法上的运算联系

二、用AI for Science筛选最优工艺参数组合：原子级界面精准调控+全流程AI算法优化

二维半导体芯片制作涉及上百道工艺，每步工艺之间存在相互影响，研发工艺参数的复杂性远超传统硅基工艺，这些工艺参数变量联立起来的组合几乎是天文数字。

这也是二维半导体研发的最大难点。据包文中介绍，单靠人工调整参数几乎是不可能任务。为确保每一道工艺步骤都能与其他步骤协同工作，AI for Science提供了新解法。

最新研究成果建立于复旦团队此前一项探讨采用机器学习方法优化工艺参数的研究基础之上（曾于2021年在Nature子刊Nature Communications）上发表。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-26230-x

复旦团队在前期积累了大量工艺参数，让AI计算出最佳工艺配方。通过“原子级界面精准调控+全流程AI算法优化”的双引擎，该团队实现了从材料生长到集成工艺的精准控制，在短时间内筛选出最优的工艺参数组合，大大提高了实验效率。

通过严格的自动化测试设备测试，团队验证了在1kHz时钟频率下，千门级芯片可以串行实现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的验证结果，均达到了国际同期最优水平。

论文共同第一作者、微电子学院直博生周秀诚说，这表明“无极”不仅可以进行简单的逻辑运算，还能执行复杂的指令集。

结语：开源架构+兼容工艺，全链条自主研发达到国际领先水平

当前，国际上对二维半导体的研究仍在起步阶段，尚未实现大规模应用。根据复旦大学公众号文章，本次成果意味着中国有机会在二维半导体材料上取得领先优势。

复旦大学微电子学院研究员韩军在本次工作中负责RISC-V架构设计，他谈到开源指令集架构RISC-V的优势是对接全球技术标准且无需依赖封闭架构，未来可自主构建用户生态，不受制于国外厂商的架构和IP专利。

在该团队开发的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，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，为产业化落地铺平道路。

下一步，复旦团队将进一步提高芯片集成度，寻找并搭建稳定的工艺平台，为未来开发具体的应用产品打下基础。