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作者?|??ZeR0，編輯?|??漠影
全球首顆二維半導(dǎo)體32位RISC-V架構(gòu)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?qǐng)?bào)道，昨夜，二維半導(dǎo)體芯片里程碑式突破登上國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature：全球首顆二維半導(dǎo)體32位微處理器橫空出世，來(lái)自中國(guó)團(tuán)隊(duì)！這項(xiàng)突破由復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周鵬、包文中聯(lián)合團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)，成功研制全球首款基于二維半導(dǎo)體材料的32位RISC-V架構(gòu)微處理器“無(wú)極（WUJI）”。面對(duì)摩爾定律逼近物理極限的挑戰(zhàn)，具有單個(gè)原子層厚度的二維半導(dǎo)體是國(guó)際公認(rèn)的破局關(guān)鍵。
十多年來(lái)，國(guó)際學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界已掌握晶圓級(jí)二維材料生長(zhǎng)技術(shù)，成功制造出擁有數(shù)百個(gè)原子長(zhǎng)度、若干個(gè)原子厚度的高性能基礎(chǔ)器件。但此前國(guó)際上最高的二維半導(dǎo)體數(shù)字電路集成度僅為115個(gè)晶體管，由奧地利維也納工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在2017年實(shí)現(xiàn)。據(jù)復(fù)旦大學(xué)公眾號(hào)發(fā)文，“無(wú)極”突破二維半導(dǎo)體電子學(xué)工程化瓶頸，首次實(shí)現(xiàn)5900顆晶體管的集成度，使我國(guó)在新一代芯片材料研制中占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢(shì)。論文題目為《基于二維半導(dǎo)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(shí)時(shí)信號(hào)處理方面，二維半導(dǎo)體芯片有望適用于物聯(lián)網(wǎng)、邊緣算力、AI推理等前沿計(jì)算場(chǎng)景。
01.5900顆晶體管、堪比“豆腐雕花”，實(shí)現(xiàn)二維邏輯芯片最大規(guī)模驗(yàn)證紀(jì)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(xué)院研究員包文中打比方說(shuō)，二維半導(dǎo)體作為一種最薄的半導(dǎo)體形態(tài)，必須采用更溫和、精細(xì)的工藝方法進(jìn)行“雕刻”。由于傳統(tǒng)半導(dǎo)體的固有局限性，近年來(lái)對(duì)后硅半導(dǎo)體的追求不斷升級(jí)，這些局限性受到諸如漏極誘導(dǎo)的勢(shì)壘降低、界面散射誘導(dǎo)的遷移率下降以及由半導(dǎo)體帶寬決定的受限電流開/關(guān)比等問(wèn)題的困擾。這些挑戰(zhàn)促使人們尋找更先進(jìn)的材料，原子層厚度的二維半導(dǎo)體成為一種潛在的解決方案。
經(jīng)過(guò)十多年的研究進(jìn)展，晶圓級(jí)增長(zhǎng)和器件制造的最新發(fā)展促成了二維半導(dǎo)體電子學(xué)的突破，但集成水平仍然局限于幾百個(gè)晶體管。復(fù)旦團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)五年攻關(guān)，將芯片從陣列級(jí)或單管級(jí)推向系統(tǒng)級(jí)集成，基于二維半導(dǎo)體材料（二硫化鉬MoS2）制造出32位RISC-V架構(gòu)微處理器“無(wú)極（WUJI）”，通過(guò)自主創(chuàng)新的特色集成工藝，以及開源簡(jiǎn)化指令集計(jì)算架構(gòu)（RISC-V），集成5900顆晶體管，在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)二維邏輯芯片最大規(guī)模驗(yàn)證紀(jì)錄。
要將原子級(jí)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(fù)旦團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了二維邏輯電路的工藝流程和設(shè)計(jì)，通過(guò)柔性等離子（Plasma）處理技術(shù)等低能量工藝，對(duì)二維半導(dǎo)體表面進(jìn)行加工，從而避免了高能粒子對(duì)材料造成的損害，充分發(fā)揮出二維半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)，也確保芯片質(zhì)量。
反相器的良率直接反映了整個(gè)芯片的質(zhì)量。本項(xiàng)研究中的反相器良率高達(dá)99.77%，具備單級(jí)高增益和關(guān)態(tài)超低漏電等優(yōu)異性能。復(fù)旦團(tuán)隊(duì)制造了900個(gè)反相器陣列，每個(gè)陣列包含30×30個(gè)反相器。經(jīng)嚴(yán)格測(cè)試，其中898個(gè)反相器的邏輯功能完好無(wú)損，翻轉(zhuǎn)電壓和爭(zhēng)議值都非常理想，領(lǐng)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(jí)界面精準(zhǔn)調(diào)控+全流程AI算法優(yōu)化
二維半導(dǎo)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(fù)雜性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硅基工藝，這些工藝參數(shù)變量聯(lián)立起來(lái)的組合幾乎是天文數(shù)字。這也是二維半導(dǎo)體研發(fā)的最大難點(diǎn)。據(jù)包文中介紹，單靠人工調(diào)整參數(shù)幾乎是不可能任務(wù)。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(fù)旦團(tuán)隊(duì)此前一項(xiàng)探討采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法優(yōu)化工藝參數(shù)的研究基礎(chǔ)之上（曾于2021年在Nature子刊Nature Communications）上發(fā)表。
03.結(jié)語(yǔ)：開源架構(gòu)+兼容工藝，全鏈條自主研發(fā)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平
當(dāng)前，國(guó)際上對(duì)二維半導(dǎo)體的研究仍在起步階段，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。根據(jù)復(fù)旦大學(xué)公眾號(hào)文章，本次成果意味著中國(guó)有機(jī)會(huì)在二維半導(dǎo)體材料上取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院研究員韓軍在本次工作中負(fù)責(zé)RISC-V架構(gòu)設(shè)計(jì)，他談到開源指令集架構(gòu)RISC-V的優(yōu)勢(shì)是對(duì)接全球技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)且無(wú)需依賴封閉架構(gòu)，未來(lái)可自主構(gòu)建用戶生態(tài)，不受制于國(guó)外廠商的架構(gòu)和IP專利。在該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的二維半導(dǎo)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(shù)，核心的二維特色工藝也已構(gòu)建包含20余項(xiàng)工藝發(fā)明專利，結(jié)合專用工藝設(shè)備的自主技術(shù)體系，為產(chǎn)業(yè)化落地鋪平道路。下一步，復(fù)旦團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步提高芯片集成度，尋找并搭建穩(wěn)定的工藝平臺(tái)，為未來(lái)開發(fā)具體的應(yīng)用產(chǎn)品打下基礎(chǔ)。
