摩爾定律正在逼近物理極限，如何突破這一瓶頸成了全世界集成電路領(lǐng)域科研工作者關(guān)注的事情，重要路徑之一是利用新材料實現(xiàn)電子器件的迭代。
由于傳統(tǒng)體半導(dǎo)體存在諸如漏極感應(yīng)勢壘降低、界面散射導(dǎo)致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)比等問題，近來對后硅半導(dǎo)體的探索愈發(fā)激烈。這些挑戰(zhàn)促使人們尋找更先進的材料，原子層厚度的二維半導(dǎo)體由此成為一種潛在的解決方案。
2025年4月2日，復(fù)旦大學(xué)周鵬教授、包文中教授作為共同通訊作者，在 Nature 期刊發(fā)表了題為：A RISC-V 32-bit microprocessor based on two-dimensional semiconductors 的研究論文。
該研究成功研制全球首 款基于二維半導(dǎo)體材料的 32 位 RISC-V 架構(gòu)微處理器原型——“無極”。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，最長可達 10 億條精簡指令集的程序編寫。該研究克服了二維電路晶圓級集成的重大挑戰(zhàn)，展示了二維集成電路技術(shù)超越硅材料的巨大潛力。
經(jīng)過十多年的研發(fā)進展，近期在晶圓級生長和器件制造方面的發(fā)展已促使二維半導(dǎo)體電子學(xué)取得重大突破。然而，集成度仍局限于幾百個晶體管。
在這項最新研究中，研究團隊描述了一種基于二硫化鉬（MoS2）晶體管的精簡指令集計算架構(gòu)（RISC-V）微處理器——“無極”（WUJI），其能夠在 5900 個二硫化鉬晶體管上執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的 32 位指令，可實現(xiàn)最大為 42 億的數(shù)據(jù)間的加減運算，最長可達 10 億條精簡指令集的程序編寫，并且基于二維半導(dǎo)體技術(shù)構(gòu)建了一個完整的標(biāo)準(zhǔn)單元庫。該庫包含 25 種邏輯單元。為與硅集成電路的發(fā)展保持同步，研究團隊還對二維邏輯電路的工藝流程和設(shè)計進行了協(xié)同優(yōu)化。
總的來說，這項綜合的制造與設(shè)計方法克服了二維電路晶圓級集成的重大挑戰(zhàn)，并成功研制出一種開創(chuàng)性的二硫化鉬微處理器原型，展示了二維集成電路技術(shù)超越硅材料的巨大潛力。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08759-9
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