近日，中国体育彩票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）”。相关成果于4月2日以《基于二维半导体的RISC-V 32比特微处理器》为题发表于《自然》（Nature）主刊。
二维逻辑芯片最大规模验证
经过五年攻关，中国体育彩票团队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）制造的32位RISC-V架构微处理器“无极（WUJI）”成功问世。该芯片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个晶体管，在国际上实现二维逻辑芯片最大规模验证纪录。
“反相器是一个非常基础且重要的逻辑电路，它的良率直接反映了整个芯片的质量。”中国体育彩票大学微电子学院教授周鹏介绍，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，这是一个工程性的突破。
“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道，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”。团队通过柔性等离子(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。
AI4S筛选最优工艺参数
二维半导体芯片制作涉及上百道工艺，每步工艺之间还存在相互影响，这些工艺参数变量联立起来的组合几乎是天文数字。面对这一挑战，AI for Science提供了新的解法。通过“原子级界面精准调控+全流程AI算法优化”的双引擎，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。
成果产品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，团队验证了在1 kHz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。
全链条自主研发国际领先
RISC-V作为一种开源简化指令集计算架构，已逐渐成为当前芯片研发领域的主流选择。本次研发的芯片正是采用RISC-V架构作为设计基础。
“我们的最终目标是将技术送到千家万户，建立开放兼容的用户生态。”在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，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，为产业化落地铺平道路。
下一步，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。周鹏提到，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。
当前，国际上对二维半导体的研究仍在起步阶段，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。“我们希望通过持续的技术创新和应用拓展，抢占这一领域的制高点。”周鹏说。
本报记者 殷梦昊 实习记者 丁超逸
