按天配资周末 光刻机不再是瓶颈！中国科学家另辟蹊径突破2nm芯片_材料_周秀诚_包文中
在复旦大学一个高度洁净的实验室里，几片指甲盖大小、闪着淡金色光芒的薄片静置在透明托盘中按天配资周末，乍看之下平平无奇。然而，就是这些貌不惊人的小东西，内部却是一片微缩的宇宙。
每一片都密布着5900个基于新型二维半导体材料构建的晶体管，这个数字，将此前国际上同类研究的最高纪录（115个）猛地推高了51倍，标记了一次技术的飞跃。
这背后，是复旦大学周鹏教授和包文中研究员带领的团队多年的心血。
他们不仅攻克了将二维半导体材料大规模集成应用于电子学的难题，更独立完成了从新材料探索、独特芯片架构设计到最终流片制造的全过程。
展开剩余87%他们给这款开创性的、全球首个基于二维材料的32位RISC-V微处理器起名为“无极”（WUJI），饱含着从无到有、突破界限的雄心。
别小看这枚“无极”芯片，它能听懂32位的指令语言，进行高达42亿范围内的数字加减，还能管理和访问GB量级的数据信息，并足以运行包含长达10亿条精简指令的程序。
这项重要的研究成果，细节已发表在4月2日的国际权威期刊《自然》杂志上。
回溯这项研究的起点，大约是在十年前。包文中研究员记得，2015年他来到复旦大学微电子学院时，便一头扎进了如何在工业级晶圆上均匀生长二维半导体材料，并探索其实际应用可能性的研究中。
那时，二维材料的“明星”石墨烯被发现已有十余载，而像二硫化钼（MoS2）这样的新秀，也开始进入科学家们的视野。
所谓二维材料，就是指物质在微观层面几乎只有一个平面的延展，厚度薄至仅一两个原子层。这种极致的纤薄赋予了它们独特的电学和光学行为，在未来的微型电子器件、光电转换、可弯曲屏幕、高灵敏探测器等领域潜力巨大。
MoS2尤其受到青睐，因为它天然就是一种半导体，且其关键的能带特性可以按需调整，非常适合用来制造晶体管这类电子元件的核心部分。
包文中解释说，当芯片上的元件尺寸不断缩小，传统硅材料的性能提升开始遭遇瓶颈。在业界苦苦思索如何延续芯片性能增长神话（即摩尔定律）之际，二维半导体被广泛认为是打破僵局的关键希望，甚至被看作是未来晶体管可能演化到的终极形态之一。
但是，造出一个性能优异的“单兵”——单个二维晶体管，和组建一支能协同作战的“大军”——复杂的集成电路，完全是两回事。
这就像一位小提琴手技艺再高超，要让他和几十上百位同样优秀的乐手组成一支交响乐团，完美合奏出动人乐章，也需要大量的排练磨合。
如果人数增加到成千上万甚至上亿，协调难度更是急剧上升。MoS2晶体管的个体能力虽好，但如何精确、均匀、且大批量地将它们集成起来，同时保证成品率，一直是道难题。
因此，在“无极”问世前，相关研究的集成度一直没能突破几百个晶体管的门槛，始终无法构建出真正意义上的微处理器。
周鹏教授说，他们的研究，就是想实实在在地回答那个萦绕在学术界和产业界心头的问题：二维半导体，到底能不能用来做成复杂的芯片？性能究竟能达到什么水平？
2021年，接力棒传到了博士生敖明睿和周秀诚的手中。此时，团队在材料生产方面已有积累，掌握了在工业主流的12英寸大硅片上快速、均匀生产单层MoS2的技术。
制造尖端芯片通常需要依赖价值连城的精密设备，比如先进的光刻机。团队的目标是做出能对接工业生产的集成电路系统，可实验室里的仪器大多是科研级别的。硬件条件有限，他们只能靠智慧和毅力弥补，在一次次尝试、失败、分析、改进中积累诀窍。
二维材料那如同蝉翼般的薄度，给加工带来了非同寻常的挑战。
包文中打了个生动的比方：硅材料好比一块大理石，工匠可以用凿子刻画；而二维材料则像一块嫩豆腐，稍有不慎就会碰坏，必须用极其精巧、特殊的方法来“雕琢”。
“二维半导体的制造工艺，每一步都紧密关联，前一步会影响后一步，有时后一步的操作反过来也会影响前面步骤的效果。”包文中补充道。
那几年，敖明睿和周秀诚几乎是泡在实验室里，日复一日地重复实验，极有耐心地调整每一个参数，优化每一个步骤，严密控制实验环境的细微变化。
“我们曾在一个环节卡了很久，最后仔细分析才发现，问题出在更早的一个工艺步骤上。所以，每完成一步，都必须做相应的检测，发现不对劲就得及时回头调整。”周秀诚回忆。
值得一提的是，团队结合了多年积累的大量实验数据，并利用复旦大学在人工智能研究方面的优势，开发出了一套AI驱动的智能工艺优化系统。
通过“原子尺度的精确控制”加上“全流程AI算法优化”的双重驱动，实现了从材料生长到芯片集成的精准调控。“AI算法能推荐出更优的工艺参数组合，帮助我们在实验室里更高效地把芯片做出来。”包文中说。
就这样，在团队成员的共同奋斗和新技术的加持下，他们最终解决了二维材料与电极接触、栅极绝缘层以及后续加工步骤之间复杂而精密的耦合匹配问题，并用原子级别的加工和检测技术，成功验证了大规模数字电路的可行性。
“这并非是要全盘推翻现有的芯片制造体系。”包文中解释道，“更像是对现有成熟技术的拓展和补充。好比建一栋楼，地基和主体框架不变，只是把其中几层的功能从办公改为商场，需要进行特别的设计和施工。
‘无极’芯片的制造过程中，大约70%的工艺步骤可以直接借用现有的硅基芯片生产线技术，另外30%左右涉及二维材料的核心特色工艺，则是由我们自主设计、包含20多项发明专利的专用设备和技术体系来完成的。”
一系列测试结果表明，“无极”芯片在集成工艺优化和规模化程度上，都达到了国际同期的领先水准。包文中对此颇为自豪：“我们利用国产半导体设备和开源的RISC-V架构，没有依赖最顶级的EUV光刻机，而是融合了我们自主研发的全套二维半导体集成工艺，这为探索一条中国芯片自主创新的新路子奠定了基础。”
谈到未来发展，周鹏教授认为，二维半导体芯片和硅基芯片并非取代关系，更可能是长期共存、优势互补的。
“就像城市里有了地铁，公交车依然有其价值。‘无极’目前虽然是用微米级的工艺制造，但其功耗表现已经可以和纳米级的硅芯片相媲美。如果将来采用更先进的光刻设备，功耗还有望进一步降低，这让它在那些对能耗要求极为苛刻的设备上具有特别的吸引力。”
不过，周鹏也坦诚地指出：“‘无极’目前还只是一个概念验证的原型，整体性能和市场上成熟的商用芯片相比还有一段距离，眼下并不具备市场竞争优势。”
团队目前正兵分两路，为“无极”的下一步发展努力。
一是继续提升二维电子器件本身的性能和集成密度，争取突破当前晶体管数量的限制，让它在更多应用场景下更有竞争力。
二是在产业化方面下功夫，加强与现有硅基生产技术的融合，推动核心的二维特色工艺能够被产业界接纳和应用，并积极寻求与企业和相关机构合作，让这项技术能尽快从实验室走向实际产品。
包文中对此充满信心，他觉得，过去几十年集成电路产业积累的丰富经验和庞大基础，将为二维半导体芯片的发展提供巨大助力。“我们有理由期待，二维半导体芯片的性能追赶速度可能会相当快，最终形成与硅基芯片长期并存，各自在擅长的领域发光发热的新局面。”这枚名为“无极”的芯片，或许正是开启这扇未来之门的钥匙。
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发布于：河南省