“集結”5900個晶體管，算力再+1！ 中國科學家研制出的“無極”有多頂？

作者：吳苡婷

過5年技術攻關和迭代

復旦大學周鵬、包文中聯(lián)合團隊 突破了二維半導體電子學集成度瓶頸，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）”

該處理器通過自主創(chuàng)新的特色集成工藝

通過開源簡化指令集計算架構（RISC-V）

在國際上實現了

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再到流片的

全鏈條自主研發(fā)

4月2日晚

相關論文發(fā)表于國際頂尖期刊《自然》

從數百到5900的跨越

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體是目前國際公認的破局關鍵。歷經國際學術界與產業(yè)界十余年攻關，科學家們已掌握晶圓級二維材料生長技術，并成功制造出只有數百個原子長度、若干個原子厚度的高性能基礎器件。但要將這些“原子級精密元件”組裝成完整的集成電路系統(tǒng)，卻始終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百晶體管量級，始終未能跨越功能性微處理器的技術門檻。

“之前二維邏輯功能最大規(guī)模驗證的最高紀錄是115個，而且是不帶時鐘邏輯?？梢哉f，我們創(chuàng)造了一個歷史記錄。”周鵬說，在5V的低壓下，“無極”在32位輸入指令的控制下，可以實現最大為42億的數據間加減運算，支持GB級數據存儲和訪問，以及最長可達10億條精簡指令集的程序編寫?！疤岣呷斯ぶ悄芩懔π枰獦O大的能源消耗，我們用微米級的工藝做到納米級的功耗。而極低功耗的CPU可以助力人工智能更廣泛應用?！?/p>

提前驗證二維材料使用路徑

復旦團隊在二維半導體集成電路領域深耕十余年。特別是團隊創(chuàng)新開發(fā)的AI驅動的一貫式協(xié)同工藝優(yōu)化技術，通過“原子級界面精準調控+全流程AI算法優(yōu)化”雙引擎，實現了從材料生長到集成工藝的精準控制?！盁o極”的工藝流程非常復雜，參數設置依靠人工很難完成。引入機器學習AI賦能后，可以迅速確定參數優(yōu)化窗口，提升晶體管良率。

周鵬說，在這些二維半導體集成工藝中，70%左右的工序可直接沿用現有硅基產線成熟技術，而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，為未來的產業(yè)化落地鋪平道路。

團隊解決了二維材料-接觸-柵介質-后道工藝的精確耦合調控難題，利用原子級精度的加工和表征技術，驗證了規(guī)?；臄底蛛娐?。其中，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。通過嚴格的自動化測試設備測試，驗證了在1千赫茲時鐘頻率下，在千門級電路上可以串行實現37種32位RISC-V指令，滿足32位RISC-V整型指令集要求。其集成工藝優(yōu)化程度和規(guī)?；娐夫炞C結果，均達到了國際同期最優(yōu)水平。

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將ENIAC和Intel 4004 以及無極誕生年實現了加法上的運算聯(lián)系

“大學的作用幫助產業(yè)界排除前行的困難，這個成果也讓產業(yè)界知曉，二維半導體可以做成處理器。我們做了一件正確而困難的事情。”周鵬說，團隊還將致力于進一步提升二維電子器件的性能和集成度，突破當前晶體管集成度的瓶頸，使其在更多應用場景中具備更強的競爭力。同時，將加強與現有硅基產線技術的結合，推動核心二維特色工藝的產業(yè)化應用。

復旦大學集成芯片與系統(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、國家自然科學基金委、上海市科委等項目的資助，以及教育部創(chuàng)新平臺的支持。