突破二維材料晶體管集成度瓶頸，“無(wú)極”來(lái)了

在復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的凈化間里，身穿實(shí)驗(yàn)服的科研人員正向筆者展示手中的芯片。

復(fù)旦大學(xué)教授周鵬、研究員包文中聯(lián)合團(tuán)隊(duì)突破了二維半導(dǎo)體電子學(xué)集成度瓶頸，完成了從材料到架構(gòu)再到流片的全鏈條自主研發(fā)，成功研制出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。團(tuán)隊(duì)將之命名為“無(wú)極”（WUJI），寓意從無(wú)到有、沒(méi)有極限。

在32位輸入指令的控制下，“無(wú)極”可以實(shí)現(xiàn)最大為42億的數(shù)據(jù)間的加減運(yùn)算，支持GB級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)，以及最長(zhǎng)達(dá)10億條精簡(jiǎn)指令集的程序編寫(xiě)。

讓晶體管“最終形態(tài)”走出實(shí)驗(yàn)室

“說(shuō)起這項(xiàng)研究成果，要追溯到10年前。”包文中回憶道。2015年7月，包文中加入復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院，一頭扎進(jìn)晶圓級(jí)二維半導(dǎo)體的可控生長(zhǎng)及其實(shí)際應(yīng)用研究中。

這一年，距離二維材料石墨烯的發(fā)現(xiàn)過(guò)去了11年，二硫化鉬（MoS2）等二維半導(dǎo)體材料也開(kāi)始進(jìn)入科學(xué)家的視野。

所謂二維（2D），是指材料只在平面延展。厚度僅一到幾個(gè)原子層，這一“超薄”特性使此類材料展現(xiàn)出非常獨(dú)特的電子和光學(xué)性質(zhì)，在納米電子學(xué)、光電子學(xué)、柔性器件、傳感器等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

MoS2則是最熱門的二維半導(dǎo)體材料之一，由于具有天然帶隙且?guī)额愋涂烧{(diào)節(jié)，其在晶體管和光電器件制造中獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。

包文中指出：“在納米尺度下，硅材料并不是最好的溝道材料。面對(duì)摩爾定律逼近物理極限這一全球性挑戰(zhàn)，二維半導(dǎo)體是目前國(guó)際公認(rèn)的破局關(guān)鍵，可以認(rèn)為是晶體管的‘最終形態(tài)’?！?/p>

然而，單個(gè)晶體管和能夠使用的集成電路之間仍隔著萬(wàn)水千山。好比一位小提琴演奏家的獨(dú)奏水平非常高，而幾十個(gè)同樣優(yōu)秀的人組成一支交響樂(lè)團(tuán)，需要排練很長(zhǎng)時(shí)間才能合奏出悅耳的曲子。倘若人數(shù)增加到上萬(wàn)人甚至上億人，難度就呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)了。

因此，盡管MoS2做成的單個(gè)晶體管的“個(gè)人能力”已廣受認(rèn)可，但由于遭遇工藝精度與規(guī)模均勻性的協(xié)同良率控制等瓶頸，此前最高集成度僅停留在數(shù)百晶體管量級(jí)，始終未能跨越功能性微處理器的技術(shù)門檻。

“二維半導(dǎo)體材料到底能不能做成芯片，性能怎么樣？我們就是想解答學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的這個(gè)疑惑。”周鵬告訴筆者。

開(kāi)辟芯片研制的新路

2021年，課題交到了復(fù)旦大學(xué)博士研究生敖明睿和周秀誠(chéng)的手上。此前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在工藝生產(chǎn)上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并利用化學(xué)氣相沉積法，在工業(yè)界主流12英寸晶圓上實(shí)現(xiàn)了MoS2均勻和單層材料的快速生長(zhǎng)。

所謂工欲善其事，必先利其器。工業(yè)界7納米、2納米級(jí)別的集成電路，離不開(kāi)尖端的光刻機(jī)等設(shè)備。團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是一個(gè)面向工業(yè)生產(chǎn)的集成電路系統(tǒng)，但所用大多為科研級(jí)別的儀器，在硬件不夠給力的情況下，他們只能主動(dòng)適應(yīng)，不斷從試錯(cuò)中積累經(jīng)驗(yàn)。

同時(shí)，二維半導(dǎo)體材料極薄的特點(diǎn)，給加工帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。包文中用雕塑進(jìn)行類比——如果說(shuō)硅材料是一塊大理石，可以用斧頭和鑿子把它雕塑成人像，二維半導(dǎo)體則是一塊豆腐，輕輕一碰就會(huì)把人像的胳膊或腿破壞了，必須用特殊設(shè)備加工。

“二維半導(dǎo)體的生產(chǎn)工藝是環(huán)環(huán)相扣的，不僅前一個(gè)步驟會(huì)影響后一個(gè)步驟，后一個(gè)步驟也會(huì)影響前面的步驟?！卑闹姓f(shuō)。

這幾年，敖明睿和周秀誠(chéng)日復(fù)一日做實(shí)驗(yàn)，耐心打磨細(xì)節(jié)，一點(diǎn)點(diǎn)調(diào)參數(shù)、控制實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、優(yōu)化工藝步驟。

“我們?cè)谀骋粋€(gè)步驟停了很長(zhǎng)時(shí)間，最后分析才發(fā)現(xiàn)是前面某一個(gè)工藝有問(wèn)題導(dǎo)致的。所以每完成一步工藝，我們都要做相應(yīng)的測(cè)試，如果有問(wèn)題就及時(shí)調(diào)整?！敝苄阏\(chéng)補(bǔ)充說(shuō)。

值得一提的是，結(jié)合團(tuán)隊(duì)以往積累的大量材料和工藝數(shù)據(jù)以及復(fù)旦大學(xué)在人工智能（AI）方面的布局，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了AI驅(qū)動(dòng)的一貫式協(xié)同工藝優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)“原子級(jí)界面精準(zhǔn)調(diào)控+全流程AI算法優(yōu)化”雙引擎，實(shí)現(xiàn)了從材料生長(zhǎng)到集成工藝的精準(zhǔn)控制?！袄肁I算法推薦的組合，我們能夠更高效地在實(shí)驗(yàn)室里把芯片做出來(lái)。”包文中表示。

于是，在成員的共同努力以及新技術(shù)的加持下，團(tuán)隊(duì)最終破解了二維材料—接觸—柵介質(zhì)—后道工藝的精確耦合調(diào)控難題，并利用原子級(jí)精度的加工和表征技術(shù)，驗(yàn)證了規(guī)模化的數(shù)字電路。

“這并不是一個(gè)顛覆性的整體變化。就像建造一棟辦公樓，地基和主體都和原來(lái)一樣，只是中間有幾層被用作商場(chǎng)而不是辦公室，需要專門設(shè)計(jì)?！卑闹薪榻B，“無(wú)極”的集成工藝中有70%左右可直接沿用現(xiàn)有硅基產(chǎn)線成熟技術(shù)，其余核心的二維特色工藝，則結(jié)合了團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)的專用工藝設(shè)備和體系，包含20余項(xiàng)工藝發(fā)明專利。

一個(gè)個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)都表明，“無(wú)極”的集成工藝優(yōu)化和規(guī)?；娐烦潭?，均達(dá)到國(guó)際同期最優(yōu)水平。包文中自信地說(shuō)：“我們利用國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備和開(kāi)源RISC-V架構(gòu)，不依賴先進(jìn)的EUV光刻機(jī)，而是融合了自主研發(fā)的二維半導(dǎo)體全套集成工藝，為開(kāi)辟一條我國(guó)全新的芯片自主研發(fā)之路奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

二維半導(dǎo)體不會(huì)取代硅

“正如地鐵出現(xiàn)以后，公交車依然有價(jià)值，二維半導(dǎo)體芯片和硅基芯片是互補(bǔ)的關(guān)系?！敝荠i表示，“‘無(wú)極’采用微米級(jí)工藝，其功耗和納米級(jí)芯片功耗相當(dāng)，如果采用更好的光刻機(jī)設(shè)備，功耗將進(jìn)一步降低，將來(lái)在對(duì)低功耗有更高要求的設(shè)備上更具優(yōu)勢(shì)?！?/p>

周鵬同時(shí)強(qiáng)調(diào)：“‘無(wú)極’只是概念驗(yàn)證原型，整體性能和目前的商用芯片仍存在一定距離，當(dāng)前并不具備市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。”

目前，團(tuán)隊(duì)正為“無(wú)極”的轉(zhuǎn)化落地努力。一方面，他們將進(jìn)一步提升二維電子器件的性能和集成度，突破當(dāng)前晶體管集成度瓶頸，使其在更多應(yīng)用場(chǎng)景中具備更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。另一方面，在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程上，團(tuán)隊(duì)加強(qiáng)與現(xiàn)有硅基產(chǎn)線技術(shù)的結(jié)合，推動(dòng)核心二維特色工藝的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，并與相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)合作，使其盡快在實(shí)際產(chǎn)品中發(fā)揮作用。

包文中表示，過(guò)去幾十年間，集成電路的發(fā)展為二維半導(dǎo)體芯片的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，“有理由相信，二維半導(dǎo)體芯片性能可以在較短時(shí)間內(nèi)追上硅基芯片，最終形成和硅基芯片長(zhǎng)期共存、應(yīng)用互補(bǔ)的局面”。