芯耀
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作者?|??ZeR0，編輯?|??漠影
全球首顆二維半導體32位RISC-V架構微處理器，全流程AI算法優(yōu)化，首次集成5900顆晶體管。
芯東西4月3日報道，昨夜，二維半導體芯片里程碑式突破登上國際頂級學術期刊Nature：全球首顆二維半導體32位微處理器橫空出世，來自中國團隊！這項突破由復旦大學集成芯片與系統(tǒng)全國重點實驗室周鵬、包文中聯(lián)合團隊實現(xiàn)，成功研制全球首款基于二維半導體材料的32位RISC-V架構微處理器“無極（WUJI）”。面對摩爾定律逼近物理極限的挑戰(zhàn)，具有單個原子層厚度的二維半導體是國際公認的破局關鍵。
十多年來，國際學術界與產(chǎn)業(yè)界已掌握晶圓級二維材料生長技術，成功制造出擁有數(shù)百個原子長度、若干個原子厚度的高性能基礎器件。但此前國際上最高的二維半導體數(shù)字電路集成度僅為115個晶體管，由奧地利維也納工業(yè)大學團隊在2017年實現(xiàn)。據(jù)復旦大學公眾號發(fā)文，“無極”突破二維半導體電子學工程化瓶頸，首次實現(xiàn)5900顆晶體管的集成度，使我國在新一代芯片材料研制中占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢。論文題目為《基于二維半導體的RISC-V 32比特微處理器》（“A RISC-V 32-Bit Microprocessor Based on Two-dimensional Semiconductors”）。
據(jù)周鵬分享，在實時信號處理方面，二維半導體芯片有望適用于物聯(lián)網(wǎng)、邊緣算力、AI推理等前沿計算場景。
01.5900顆晶體管、堪比“豆腐雕花”，實現(xiàn)二維邏輯芯片最大規(guī)模驗證紀錄
“如果把制造硅基芯片比作在石頭上雕刻，那么二維芯片就是在一塊豆腐上雕花。”微電子學院研究員包文中打比方說，二維半導體作為一種最薄的半導體形態(tài)，必須采用更溫和、精細的工藝方法進行“雕刻”。由于傳統(tǒng)半導體的固有局限性，近年來對后硅半導體的追求不斷升級，這些局限性受到諸如漏極誘導的勢壘降低、界面散射誘導的遷移率下降以及由半導體帶寬決定的受限電流開/關比等問題的困擾。這些挑戰(zhàn)促使人們尋找更先進的材料，原子層厚度的二維半導體成為一種潛在的解決方案。
經(jīng)過十多年的研究進展，晶圓級增長和器件制造的最新發(fā)展促成了二維半導體電子學的突破，但集成水平仍然局限于幾百個晶體管。復旦團隊經(jīng)過五年攻關，將芯片從陣列級或單管級推向系統(tǒng)級集成，基于二維半導體材料（二硫化鉬MoS2）制造出32位RISC-V架構微處理器“無極（WUJI）”，通過自主創(chuàng)新的特色集成工藝，以及開源簡化指令集計算架構（RISC-V），集成5900顆晶體管，在國際上實現(xiàn)二維邏輯芯片最大規(guī)模驗證紀錄。
要將原子級精密元件組裝成完整的集成電路系統(tǒng)，受制于工藝精度與規(guī)模勻性的協(xié)同良率控制。為了配合硅集成電路的發(fā)展，復旦團隊優(yōu)化了二維邏輯電路的工藝流程和設計，通過柔性等離子（Plasma）處理技術等低能量工藝，對二維半導體表面進行加工，從而避免了高能粒子對材料造成的損害，充分發(fā)揮出二維半導體的優(yōu)勢，也確保芯片質量。
反相器的良率直接反映了整個芯片的質量。本項研究中的反相器良率高達99.77%，具備單級高增益和關態(tài)超低漏電等優(yōu)異性能。復旦團隊制造了900個反相器陣列，每個陣列包含30×30個反相器。經(jīng)嚴格測試，其中898個反相器的邏輯功能完好無損，翻轉電壓和爭議值都非常理想，領先于同類研究。
02.用AI for Science篩選最優(yōu)工藝參數(shù)組合：原子級界面精準調控+全流程AI算法優(yōu)化
二維半導體芯片制作涉及上百道工藝，每步工藝之間存在相互影響，研發(fā)工藝參數(shù)的復雜性遠超傳統(tǒng)硅基工藝，這些工藝參數(shù)變量聯(lián)立起來的組合幾乎是天文數(shù)字。這也是二維半導體研發(fā)的最大難點。據(jù)包文中介紹，單靠人工調整參數(shù)幾乎是不可能任務。為確保每一道工藝步驟都能與其他步驟協(xié)同工作，AI for Science提供了新解法。
最新研究成果建立于復旦團隊此前一項探討采用機器學習方法優(yōu)化工藝參數(shù)的研究基礎之上（曾于2021年在Nature子刊Nature Communications）上發(fā)表。
03.結語：開源架構+兼容工藝，全鏈條自主研發(fā)達到國際領先水平
當前，國際上對二維半導體的研究仍在起步階段，尚未實現(xiàn)大規(guī)模應用。根據(jù)復旦大學公眾號文章，本次成果意味著中國有機會在二維半導體材料上取得領先優(yōu)勢。復旦大學微電子學院研究員韓軍在本次工作中負責RISC-V架構設計，他談到開源指令集架構RISC-V的優(yōu)勢是對接全球技術標準且無需依賴封閉架構，未來可自主構建用戶生態(tài)，不受制于國外廠商的架構和IP專利。在該團隊開發(fā)的二維半導體集成工藝中，70%左右的工序可直接沿用現(xiàn)有硅基產(chǎn)線成熟技術，核心的二維特色工藝也已構建包含20余項工藝發(fā)明專利，結合專用工藝設備的自主技術體系，為產(chǎn)業(yè)化落地鋪平道路。下一步，復旦團隊將進一步提高芯片集成度，尋找并搭建穩(wěn)定的工藝平臺，為未來開發(fā)具體的應用產(chǎn)品打下基礎。
