突破二維材料晶體管集成度瓶頸，“無極”來了

在復旦大學集成芯片與系統(tǒng)全國重點實驗室的凈化間里，身穿實驗服的科研人員正向筆者展示手中的芯片。

復旦大學教授周鵬、研究員包文中聯(lián)合團隊突破了二維半導體電子學集成度瓶頸，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體材料的32位RISC-V架構(gòu)微處理器。團隊將之命名為“無極”（WUJI），寓意從無到有、沒有極限。

在32位輸入指令的控制下，“無極”可以實現(xiàn)最大為42億的數(shù)據(jù)間的加減運算，支持GB級數(shù)據(jù)存儲和訪問，以及最長達10億條精簡指令集的程序編寫。

讓晶體管“最終形態(tài)”走出實驗室

“說起這項研究成果，要追溯到10年前。”包文中回憶道。2015年7月，包文中加入復旦大學微電子學院，一頭扎進晶圓級二維半導體的可控生長及其實際應(yīng)用研究中。

這一年，距離二維材料石墨烯的發(fā)現(xiàn)過去了11年，二硫化鉬（MoS2）等二維半導體材料也開始進入科學家的視野。

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

MoS2則是最熱門的二維半導體材料之一，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具優(yōu)勢。

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

然而，單個晶體管和能夠使用的集成電路之間仍隔著萬水千山。好比一位小提琴演奏家的獨奏水平非常高，而幾十個同樣優(yōu)秀的人組成一支交響樂團，需要排練很長時間才能合奏出悅耳的曲子。倘若人數(shù)增加到上萬人甚至上億人，難度就呈指數(shù)級增長了。

因此，盡管MoS2做成的單個晶體管的“個人能力”已廣受認可，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，始終未能跨越功能性微處理器的技術(shù)門檻。

“二維半導體材料到底能不能做成芯片，性能怎么樣？我們就是想解答學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的這個疑惑?！敝荠i告訴筆者。

開辟芯片研制的新路

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

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

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

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

這幾年，敖明睿和周秀誠日復一日做實驗，耐心打磨細節(jié)，一點點調(diào)參數(shù)、控制實驗室環(huán)境、優(yōu)化工藝步驟。

“我們曾在某一個步驟停了很長時間，最后分析才發(fā)現(xiàn)是前面某一個工藝有問題導致的。所以每完成一步工藝，我們都要做相應(yīng)的測試，如果有問題就及時調(diào)整。”周秀誠補充說。

值得一提的是，結(jié)合團隊以往積累的大量材料和工藝數(shù)據(jù)以及復旦大學在人工智能（AI）方面的布局，團隊開發(fā)了AI驅(qū)動的一貫式協(xié)同工藝優(yōu)化技術(shù)，通過“原子級界面精準調(diào)控+全流程AI算法優(yōu)化”雙引擎，實現(xiàn)了從材料生長到集成工藝的精準控制?！袄肁I算法推薦的組合，我們能夠更高效地在實驗室里把芯片做出來?！卑闹斜硎?。

于是，在成員的共同努力以及新技術(shù)的加持下，團隊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，并利用原子級精度的加工和表征技術(shù)，驗證了規(guī)?；臄?shù)字電路。

“這并不是一個顛覆性的整體變化。就像建造一棟辦公樓，地基和主體都和原來一樣，只是中間有幾層被用作商場而不是辦公室，需要專門設(shè)計?！卑闹薪榻B，“無極”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)合了團隊自主設(shè)計的專用工藝設(shè)備和體系，包含20余項工藝發(fā)明專利。

一個個測試數(shù)據(jù)都表明，“無極”的集成工藝優(yōu)化和規(guī)?；娐烦潭?，均達到國際同期最優(yōu)水平。包文中自信地說：“我們利用國產(chǎn)半導體設(shè)備和開源RISC-V架構(gòu)，不依賴先進的EUV光刻機，而是融合了自主研發(fā)的二維半導體全套集成工藝，為開辟一條我國全新的芯片自主研發(fā)之路奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

二維半導體不會取代硅

“正如地鐵出現(xiàn)以后，公交車依然有價值，二維半導體芯片和硅基芯片是互補的關(guān)系?！敝荠i表示，“‘無極’采用微米級工藝，其功耗和納米級芯片功耗相當，如果采用更好的光刻機設(shè)備，功耗將進一步降低，將來在對低功耗有更高要求的設(shè)備上更具優(yōu)勢?！?/p>

周鵬同時強調(diào)：“‘無極’只是概念驗證原型，整體性能和目前的商用芯片仍存在一定距離，當前并不具備市場優(yōu)勢?！?/p>

目前，團隊正為“無極”的轉(zhuǎn)化落地努力。一方面，他們將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瓶頸，使其在更多應(yīng)用場景中具備更強的競爭力。另一方面，在產(chǎn)業(yè)化進程上，團隊加強與現(xiàn)有硅基產(chǎn)線技術(shù)的結(jié)合，推動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)和機構(gòu)合作，使其盡快在實際產(chǎn)品中發(fā)揮作用。

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