在复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室的净化间里，身穿实验服的科研人员正向《中国科学报》记者展示手中的芯片。
二十几块金黄色的芯片整齐排列在透明的托盘上，看起来平平无奇，其中却隐藏着大玄机。每块芯片都集成了5900个基于二维半导体材料的晶体管，这是目前国际上二维逻辑功能最大规模的验证纪录，较此前最高纪录115个晶体管，一举提高了51倍。
复旦大学教授周鹏、研究员包文中联合团队突破了二维半导体电子学集成度瓶颈，完成了从材料到架构再到流片的全链条自主研发，成功研制出全球首款基于二维半导体材料的32位RISC-V架构微处理器。团队将之命名为“无极”（WUJI），寓意从无到有、没有极限。
在32位输入指令的控制下，“无极”可以实现最大为42亿的数据间的加减运算，支持GB级数据存储和访问，以及最长达10亿条精简指令集的程序编写。4月2日，相关成果发表于《自然》。
让晶体管“最终形态”走出实验室
“说起这项研究成果，要追溯到10年前。”包文中回忆道。2015年7月，包文中加入复旦大学微电子学院，一头扎进晶圆级二维半导体的可控生长及其实际应用研究中。
这一年，距离二维材料石墨烯的发现过去了11年，二硫化钼（MoS2）等二维半导体材料也开始进入科学家的视野。
所谓二维（2D），是指材料只在平面延展。厚度仅一到几个原子层，这一“超薄”特性使此类材料展现出非常独特的电子和光学性质，在纳米电子学、光电子学、柔性器件、传感器等领域具有潜在的应用价值。
MoS2则是最热门的二维半导体材料之一，由于具有天然带隙且带隙类型可调节，其在晶体管和光电器件制造中独具优势。
包文中指出：“在纳米尺度下，硅材料并不是最好的沟道材料。面对摩尔定律逼近物理极限这一全球性挑战，二维半导体是目前国际公认的破局关键，可以认为是晶体管的‘最终形态’。”
然而，单个晶体管和能够使用的集成电路之间仍隔着万水千山。好比一位小提琴演奏家的独奏水平非常高，而几十个同样优秀的人组成一支交响乐团，需要排练很长时间才能合奏出悦耳的曲子。倘若人数增加到上万人甚至上亿人，难度就呈指数级增长了。
因此，尽管MoS2做成的单个晶体管的“个人能力”已广受认可，但由于遭遇工艺精度与规模均匀性的协同良率控制等瓶颈，此前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。
“二维半导体材料到底能不能做成芯片，性能怎么样？我们就是想解答学术界和产业界的这个疑惑。”周鹏告诉《中国科学报》。
开辟芯片研制的新路
2021年，课题交到了复旦大学博士研究生敖明睿和周秀诚的手上。此前，团队已经在工艺生产上积累了丰富的经验，并利用化学气相沉积法，在工业界主流12英寸晶圆上实现了MoS2均匀和单层材料的快速生长。
团队合影，左起分别为周鹏、敖明睿、周秀诚、包文中。华亭/摄
所谓工欲善其事，必先利其器。工业界7纳米、2纳米级别的集成电路，离不开尖端的光刻机等设备。团队的目标是一个面向工业生产的集成电路系统，但所用大多为科研级别的仪器，在硬件不够给力的情况下，他们只能主动适应，不断从试错中积累经验。
同时，二维半导体材料极薄的特点，给加工带来了极大的挑战。包文中用雕塑进行类比——如果说硅材料是一块大理石，可以用斧头和凿子把它雕塑成人像，二维半导体则是一块豆腐，轻轻一碰就会把人像的胳膊或腿破坏了，必须用特殊设备加工。
“二维半导体的生产工艺是环环相扣的，不仅前一个步骤会影响后一个步骤，后一个步骤也会影响前面的步骤。”包文中说。
这几年，敖明睿和周秀诚日复一日做实验，耐心打磨细节，一点点调参数、控制实验室环境、优化工艺步骤。
“我们曾在某一个步骤停了很长时间，最后分析才发现是前面某一个工艺有问题导致的。所以每完成一步工艺，我们都要做相应的测试，如果有问题就及时调整。”周秀诚补充说。
值得一提的是，结合团队以往积累的大量材料和工艺数据以及复旦大学在人工智能（AI）方面的布局，团队开发了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。“利用AI算法推荐的组合，我们能够更高效地在实验室里把芯片做出来。”包文中表示。
于是，在成员的共同努力以及新技术的加持下，团队最终破解了二维材料-接触-栅介质-后道工艺的精确耦合调控难题，并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。
“这并不是一个颠覆性的整体变化。就像建造一栋办公楼，地基和主体都和原来一样，只是中间有几层被用作商场而不是办公室，需要专门设计。”包文中介绍，“无极”的集成工艺中有70%左右可直接沿用现有硅基产线成熟技术，其余核心的二维特色工艺，则结合了团队自主设计的专用工艺设备和体系，包含20余项工艺发明专利。
一个个测试数据都表明，“无极”的集成工艺优化和规模化电路程度，均达到国际同期最优水平。包文中自信地说：“我们利用国产半导体设备和开源RISC-V架构，不依赖先进的EUV光刻机，而是融合了自主研发的二维半导体全套集成工艺，为开辟一条我国全新的芯片自主研发之路奠定了基础。”
二维半导体不会取代硅”
“正如地铁出现以后，公交车依然有价值，二维半导体芯片和硅基芯片是互补的关系。”周鹏表示，“‘无极’采用微米级工艺，其功耗和纳米级芯片功耗相当，如果采用更好的光刻机设备，功耗将进一步降低，将来在对低功耗有更高要求的设备上更具优势。”
周鹏同时强调：“‘无极’只是概念验证原型，整体性能和目前的商用芯片仍存在一定距离，当前并不具备市场优势。”
目前，团队正为“无极”的转化落地努力。一方面，他们将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瓶颈，使其在更多应用场景中具备更强的竞争力。另一方面，在产业化进程上，团队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，并与相关企业和机构合作，使其尽快在实际产品中发挥作用。
包文中表示，过去几十年间，集成电路的发展为二维半导体芯片的产业化发展积累了丰富经验，“有理由相信，二维半导体芯片性能可以在较短时间内追上硅基芯片，最终形成和硅基芯片长期共存、应用互补的局面”。