近期，復(fù)旦大學(xué)周鵬、包文中聯(lián)合團隊突破二維半導(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（二硫化鉬MoS2）的32位RISC-V架構(gòu)微處理器“無極（WUJI）”。

二維半導(dǎo)體微處理器“無極（WUJI）”。本文圖除標(biāo)注外均為 復(fù)旦大學(xué) 供圖

澎湃新聞（www.kxwhcb.com）記者了解到，在32位輸入指令的控制下，“無極”可實現(xiàn)最大42億的數(shù)據(jù)間加減運算，支持GB級數(shù)據(jù)存儲和訪問，以及最長可達10億條精簡指令集的程序編寫，或?qū)榈涂战?jīng)濟、機器人等產(chǎn)業(yè)帶來更廣闊前景。“我們用微米級的工藝做到納米級的功耗，而極低功耗的CPU可以助力人工智能實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。”周鵬說。

從單原子層材料到集成電路流程示意圖

北京時間2025年4月3日凌晨，相關(guān)成果以《基于二維半導(dǎo)體的RISC-V 32比特微處理器》（“A RISC-V 32-Bit Microprocessor Based on Two-dimensional Semiconductors”）為題發(fā)表于國際頂尖期刊《自然》（Nature）。

面對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)體是目前國際公認的破局關(guān)鍵。要將“原子級精密元件”組裝成完整的集成電路系統(tǒng)，受困于工藝精度與規(guī)模均勻性的協(xié)同良率控制難題，過去最高集成度僅停留在數(shù)百晶體管量級，始終未能跨越功能性微處理器的技術(shù)門檻。

經(jīng)過五年的技術(shù)攻關(guān)和迭代，周鵬、包文中聯(lián)合團隊取得突破性成果。據(jù)介紹，“無極”處理器使用了自主創(chuàng)新的特色集成工藝，通過開源簡化指令集計算架構(gòu) （RISC-V），在國際上實現(xiàn)了二維邏輯功能最大規(guī)模驗證紀錄（集成5900個晶體管），完成了從材料到架構(gòu)再到流片的全鏈條自主研發(fā)。此外，團隊創(chuàng)新開發(fā)的AI驅(qū)動的一貫式協(xié)同工藝優(yōu)化技術(shù)，通過“原子級界面精準調(diào)控+全流程AI算法優(yōu)化”雙引擎，實現(xiàn)了從材料生長到集成工藝的精準控制。在其二維半導(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)線的成熟技術(shù)，而核心的二維特色工藝也已構(gòu)建包含20余項工藝發(fā)明專利。

實驗室中的“無極”微處理器  澎湃新聞記者 鞠文韜 攝

周鵬介紹，“無極”在研究周期中迭代了很多次，“一直以來，我們希望做的是根技術(shù)、源技術(shù)，通過基礎(chǔ)性、原理性的創(chuàng)新，實現(xiàn)一些真正改變產(chǎn)業(yè)的事情。踏足這種基礎(chǔ)研究無人區(qū)時，更多是自我要求帶來的‘痛苦’，而不是考核帶來的‘痛苦’。”

在研究工作中，團隊解決了二維材料-接觸-柵介質(zhì)-后道工藝的精確耦合調(diào)控難題，利用原子級精度的加工和表征技術(shù)，驗證了規(guī)模化的數(shù)字電路。在技術(shù)突破方面，團隊將致力于進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。

未來，這一研究成果也將為低空經(jīng)濟、機器人等產(chǎn)業(yè)帶來更大潛能。包文中研究員告訴澎湃新聞記者：“無人機等本身電池容量較為有限，續(xù)航的大部分電力用在螺旋槳上，如果再搭一塊算力芯片，電池的電量被分掉、續(xù)航里程會降低。所以在無人機、機器人等對功耗非常敏感的場景下，芯片就需要做得非常小、功耗要非常低，二維半導(dǎo)體恰恰非常適合在這種場景中應(yīng)用。”

包文中表示，目前的研究剛剛跨出實驗室、實現(xiàn)了概念驗證的第一步。在產(chǎn)業(yè)化進程上，團隊將加強與現(xiàn)有硅基產(chǎn)線技術(shù)的結(jié)合，推動核心二維特色工藝的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。未來需要通過與相關(guān)企業(yè)和機構(gòu)的“接棒”合作，加快二維半導(dǎo)體電子器件從實驗室到市場的轉(zhuǎn)化速度，使其能夠盡快在實際產(chǎn)品中發(fā)揮作用。

研究團隊

復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國重點實驗室包文中和周鵬為論文通訊作者，博士生敖明睿、周秀誠為論文第一作者。研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、基金委重要領(lǐng)軍人才計劃、上海市基礎(chǔ)特區(qū)計劃等項目的資助，以及教育部創(chuàng)新平臺的支持。