不依賴EUV光刻機!中國科學家突破芯片研制極限
在復旦大學集成芯片與系統全國重點實驗室的淨化間裡，身穿實驗服的科研人員正向《中國科學報》記者展示手中的芯片。
二十幾塊金黃色的芯片整齊排列在透明的托盤上，看起來平平無奇，其中卻隱藏著大玄機。每塊芯片都集成了5900個基於二維半導體材料的晶體管，這是目前國際上二維邏輯功能最大規模的驗證紀錄，較此前最高紀錄115個晶體管，一舉提高了51倍。
復旦大學教授周鵬、研究員包文中聯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再到流片的全鏈條自主研發，成功研制出全球首款基於二維半導體材料的32位RISC-V架構微處理器。團隊將之命名為“無極”（WUJI），寓意從無到有、沒有極限。
研究藝術效果圖。
在32位輸入指令的控制下，“無極”可以實現最大為42億的數據間的加減運算，支持GB級數據存儲和訪問，以及最長達10億條精簡指令集的程序編寫。4月2日，相關成果發表於《自然》。
讓晶體管“最終形態”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用研究中。
這一年，距離二維材料石墨烯的發現過去了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出非常獨特的電子和光學性質，在納米電子學、光電子學、柔性器件、傳感器等領域具有潛在的應用價值。
MoS2則是最熱門的二維半導體材料之一，由於具有天然帶隙且帶隙類型可調節，其在晶體管和光電器件制造中獨具優勢。
包文中指出：“在納米尺度下，硅材料並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，二維半導體是目前國際公認的破局關鍵，可以認為是晶體管的‘最終形態’。”
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。倘若人數增加到上萬人甚至上億人，難度就呈指數級增長了。
因此，盡管MoS2做成的單個晶體管的“個人能力”已廣受認可，但由於遭遇工藝精度與規模均勻性的協同良率控制等瓶頸，此前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。
“二維半導體材料到底能不能做成芯片，性能怎麼樣？我們就是想解答學術界和產業界的這個疑惑。”周鵬告訴《中國科學報》。
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，團隊已經在工藝生產上積累了豐富的經驗，並利用化學氣相沉積法，在工業界主流12英寸晶圓上實現了MoS2均勻和單層材料的快速生長。
團隊合影，左起分別為周鵬、敖明睿、周秀誠、包文中。華亭/攝
所謂工欲善其事，必先利其器。工業界7納米、2納米級別的集成電路，離不開尖端的光刻機等設備。團隊的目標是一個面向工業生產的集成電路系統，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，不斷從試錯中積累經驗。
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。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，必須用特殊設備加工。
“二維半導體的生產工藝是環環相扣的，不僅前一個步驟會影響後一個步驟，後一個步驟也會影響前面的步驟。”包文中說。
這幾年，敖明睿和周秀誠日復一日做實驗，耐心打磨細節，一點點調參數、控制實驗室環境、優化工藝步驟。
“我們曾在某一個步驟停了很長時間，最後分析才發現是前面某一個工藝有問題導致的。所以每完成一步工藝，我們都要做相應的測試，如果有問題就及時調整。”周秀誠補充說。
值得一提的是，結合團隊以往積累的大量材料和工藝數據以及復旦大學在人工智能（AI）方面的布局，團隊開發了AI驅動的一貫式協同工藝優化技術，通過“原子級界面精准調控+全流程AI算法優化”雙引擎，實現了從材料生長到集成工藝的精准控制。“利用AI算法推薦的組合，我們能夠更高效地在實驗室裡把芯片做出來。”包文中表示。
於是，在成員的共同努力以及新技術的加持下，團隊最終破解了二維材料-接觸-柵介質-後道工藝的精確耦合調控難題，並利用原子級精度的加工和表征技術，驗證了規模化的數字電路。
研究圖示。復旦大學供圖
“這並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，需要專門設計。”包文中介紹，“無極”的集成工藝中有70%左右可直接沿用現有硅基產線成熟技術，其余核心的二維特色工藝，則結合了團隊自主設計的專用工藝設備和體系，包含20余項工藝發明專利。
一個個測試數據都表明，“無極”的集成工藝優化和規模化電路程度，均達到國際同期最優水平。包文中自信地說：“我們利用國產半導體設備和開源RISC-V架構，不依賴先進的EUV光刻機，而是融合了自主研發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之路奠定了基礎。”
“二維半導體不會取代硅”
“正如地鐵出現以後，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系。”周鵬表示，“‘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備，功耗將進一步降低，將來在對低功耗有更高要求的設備上更具優勢。”
周鵬同時強調：“‘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，當前並不具備市場優勢。”
目前，團隊正為“無極”的轉化落地努力。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，使其在更多應用場景中具備更強的競爭力。另一方面，在產業化進程上，團隊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化應用，並與相關企業和機構合作，使其盡快在實際產品中發揮作用。
包文中表示，過去幾十年間，集成電路的發展為二維半導體芯片的產業化發展積累了豐富經驗，“有理由相信，二維半導體芯片性能可以在較短時間內追上硅基芯片，最終形成和硅基芯片長期共存、應用互補的局面”。
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