二维半导体芯片，腾空出世？

最近科技圈又有大新闻！复旦大学、绍芯实验室周鹏 / 包文中团队成功研制出全球首款基于二维半导体材料的 32 位 RISC-V 架构微处理器 “无极”，相关成果发表在国际期刊《自然》上。这消息一出，直接在芯片领域扔下一颗 “重磅炸弹” ，标志着芯片家族迎来一位极具潜力的 “新玩家”—— 二维半导体芯片，很可能会给整个行业带来巨大变革。

在这个数字化时代，芯片作为各种电子设备的 “心脏”，其重要性不言而喻。从我们日常离不开的手机、电脑，到引领科技前沿的人工智能、云计算，再到改变出行方式的新能源汽车，芯片的身影无处不在，支撑着现代科技的运转。传统硅基芯片一直占据主导地位，但随着技术发展，它逐渐碰到 “天花板”，摩尔定律似乎也快要走到尽头。就在大家为芯片未来发展方向发愁时，二维半导体芯片崭露头角，让人们看到了新希望，也引发无数人关注和期待。

一直以来，硅基芯片凭借成熟的技术和庞大的产业链，在芯片世界里独占鳌头。从最初简单的晶体管，到如今集成数十亿个晶体管的复杂芯片，硅基芯片在推动科技进步方面功不可没。但就像运动员总会遇到体能极限一样，硅基芯片也正面临着难以突破的物理瓶颈。

随着芯片制程工艺朝着更先进的纳米级不断迈进，量子隧穿效应成为一个棘手的难题。简单来说，当晶体管尺寸缩小到一定程度，电子就会像拥有 “穿墙术” 一样，不再受传统电路规则束缚，出现隧穿现象，导致芯片漏电，功耗大幅增加 ，计算的准确性也大打折扣，就好比一个原本听话的员工开始频繁 “摸鱼”，严重影响工作效率。

散热也是一个令人头疼的问题。芯片集成度越来越高，单位面积内的晶体管数量急剧增多，工作时产生的热量也越来越多。想象一下，一个小房间里挤了太多人，温度自然会升高，芯片也是如此。过高的温度不仅会降低芯片性能，还可能直接损坏芯片，就像电脑长时间高负荷运行后会因为过热而死机一样。为了解决散热问题，工程师们想尽办法，从改进散热材料到设计更复杂的散热结构，可随着芯片性能不断提升，这些方法渐渐有些力不从心。

除了物理层面的挑战，研发成本也是一个 “拦路虎”。开发更先进制程工艺的芯片，需要投入巨额资金用于研发、购买昂贵设备和建设高端生产线。据统计，从 14nm 到 7nm 制程工艺，研发成本翻了近一倍，而从 7nm 到 5nm，成本更是大幅增加 。如此高昂的成本，让许多企业望而却步，也限制了整个行业的发展速度。

在这样的困境下，摩尔定律逐渐走向黄昏。曾经那个 “集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔 18 - 24 个月便会增加一倍，性能也将提升一倍” 的美好预言，如今难以继续实现。行业迫切需要新的材料和技术，来打破这一僵局，而二维半导体芯片，正是在这样的背景下走进了人们的视野。

二维半导体芯片，从名字就能看出，它的核心在于使用了二维半导体材料，像石墨烯、二硫化钼、黑磷等，都是这类材料的典型代表。这些材料最直观的特点就是具有原子级厚度，只有几个原子层甚至单原子层那么厚 ，这让它们拥有一系列独特物理性质，为芯片性能提升带来无限可能。

以二硫化钼为例，它的原子结构呈三明治状，一层钼原子夹在两层硫原子中间 ，这种特殊结构赋予它许多优势。首先是高迁移率，电子在二硫化钼中移动时，就像在高速公路上行驶的汽车，受到的阻碍很小，能够快速传输，这意味着芯片运行速度可以大幅提高，数据处理更加高效。而且二硫化钼还有可调控带隙，通过改变层数或者施加外部电场等方式，就能灵活调整带隙大小 ，就像调节水龙头开关控制水流大小一样，这一特性在数字电路和逻辑电路应用中非常关键，能让芯片更好地实现各种功能。

再看石墨烯，它是由碳原子组成的六边形蜂窝状二维结构，拥有超高的电子迁移率和出色的导电性 ，电子在其中的迁移速度极快，就像闪电划过夜空。虽然石墨烯本身没有天然带隙，限制了它在一些数字电路中的直接应用，但科学家们通过各种手段，如与其他材料复合、引入缺陷等方式，赋予它一定带隙，拓展了其在芯片领域的应用空间。

这些二维半导体材料还具有良好的机械柔韧性，就像一块有弹性的橡胶，能够弯曲、折叠而不损坏，这为柔性电子设备发展带来福音，未来我们或许能看到可穿戴在身上、像衣服一样柔软的电子设备，里面使用的就是基于二维半导体材料的芯片。

和传统硅基芯片相比，二维半导体芯片在多个方面都有明显不同，这些差异也正是二维半导体芯片的潜在优势所在。

先从晶体管结构来说，传统硅基芯片中的晶体管大多是平面结构，随着制程工艺不断缩小，晶体管之间的距离越来越近，漏电等问题愈发严重 。而二维半导体芯片由于材料原子级厚度的特性，可以采用垂直堆叠等新型晶体管结构，在有限空间内集成更多晶体管，大大提高芯片集成度，就像把原来单层的房子改建成多层高楼，能容纳更多住户。

在工作原理上，两者也有差异。传统硅基芯片主要依靠电子在硅材料中的漂移运动来传输信号，而二维半导体芯片中的电子运动更像是在二维平面上的 “自由奔跑”，受到的晶格散射等干扰较小，迁移率更高，这使得二维半导体芯片在相同条件下能够以更低的功耗运行，减少能量消耗，延长设备续航时间，就像节能型汽车，同样的油量能跑更远的距离。

从性能表现来看，二维半导体芯片在尺寸、功耗和集成度方面优势明显。在尺寸上，二维材料的原子级厚度允许制造出更小尺寸的芯片，实现真正的微型化，为可穿戴设备、微型传感器等对体积要求极高的应用提供可能 ，让这些设备变得更加小巧轻便，方便携带。功耗方面，前面提到过，二维半导体芯片由于电子迁移率高，运行时所需的能量更少，功耗更低，对于那些需要长时间使用电池供电的设备，如智能手机、无人机等，这无疑是一个巨大优势，能减少充电次数，提高使用便利性。

在集成度上，二维半导体芯片能够实现更高的集成度，在单位面积内集成更多晶体管，从而提升芯片的计算能力和功能多样性，就像把更多的零部件塞进一个小盒子里，却能让它发挥出更强大的作用。举个例子，复旦大学研制的 “无极” 芯片，集成了 5900 个晶体管，在如此小的芯片上实现了大规模的逻辑功能验证，展现出二维半导体芯片在集成度方面的巨大潜力 ，如果将这种技术应用到实际产品中，将会大幅提升设备的性能和智能化水平。

二维半导体材料的故事，要追溯到 2004 年，英国曼彻斯特大学的科学家安德烈・盖姆和康斯坦丁・诺沃肖洛夫，用一种看似简单却充满创意的 “胶带剥离法” ，成功从石墨中分离出石墨烯，人类首次获得了二维材料，也开启了二维半导体材料研究的大门。此后，科研人员又陆续发现了二硫化钼、二硒化钨、黑磷等多种二维半导体材料，这些材料展现出的独特物理性质，让人们看到了它们在芯片领域的巨大潜力 ，一场围绕二维半导体材料的研究热潮就此展开。

但把这些材料应用到芯片制造中，可不像想象中那么简单。在早期研究阶段，工艺精度就是一道难以跨越的 “鸿沟”。二维半导体材料只有原子级厚度，非常脆弱，传统的芯片制造工艺，就像拿着大锤子做精细的刺绣活，很容易对材料造成损伤。比如在光刻过程中，光刻胶的涂覆和曝光，稍有不慎就会破坏二维材料的原子结构，导致器件性能大幅下降 ，就好比给一个脆弱的艺术品上色，一不小心就毁了整个作品。

材料生长缺陷也是一个棘手问题。二维半导体材料通常采用化学气相沉积（CVD）等方法生长 ，但在生长过程中，很难保证材料的均匀性和高质量，容易出现晶格缺陷、杂质引入等问题 。这些缺陷就像隐藏在芯片中的 “定时炸弹”，会影响电子的传输，增加电阻，降低芯片的性能和稳定性，严重时甚至会导致芯片无法正常工作。而且由于材料太薄，检测和修复这些缺陷也变得异常困难，就像在一根细线上找微小的断点，难度极大。

此外，如何实现二维半导体材料与传统芯片制造工艺的兼容，也是困扰科学家们的难题。传统硅基芯片已经形成了一套成熟的制造工艺和产业链，但二维半导体材料的特性与硅基材料有很大不同，很难直接套用现有的工艺。这就需要重新研发适配二维半导体材料的工艺，从材料生长、器件制备到封装测试，每一个环节都要进行创新和优化，这无疑是一项巨大的工程，需要投入大量的时间、人力和物力。

在无数科研人员的不懈努力下，二维半导体芯片研究终于迎来了关键突破。其中，复旦大学团队研制 “无极” 芯片的成果尤为引人注目。

为了解决工艺精度和材料生长缺陷问题，复旦大学团队创新性地采用了 “原子级界面精准调控 + 全流程 AI 算法优化” 的双引擎技术 。在原子级界面精准调控方面，团队利用柔性等离子处理技术等低能量工艺 ，就像拿着一把极其精细的手术刀，对二维半导体表面进行小心翼翼地加工，避免了高能粒子对材料造成的损害，充分发挥出二维半导体的优势，确保芯片质量，实现了对材料原子级别的精准控制，大大减少了材料缺陷。

全流程 AI 算法优化则是另一大 “法宝”。二维半导体芯片制作涉及上百道工艺，每步工艺之间还存在相互影响，这些工艺参数变量联立起来的组合几乎是天文数字，单靠人工调整参数几乎不可能完成 。团队通过前期积累的大量工艺参数，让 AI 计算出最佳工艺配方。以接触层的工艺优化为例，团队收集了大量历史数据，包括不同条件下接触电阻的变化情况。将这些数据输入 AI 模型之后，AI 模型能在研究人员的指示下，根据已有数据预测最优的接触层生长参数和掺杂浓度 。在后道工艺中，团队也应用了 AI 技术，涉及多个步骤的精确耦合调控，确保每步操作达到最佳效果，成功实现了从材料生长到集成工艺的精准控制，在短时间内筛选出最优的工艺参数组合，大大提高了实验效率。

在架构选择上，“无极” 芯片采用了开源简化指令集计算架构（RISC - V） ，这一架构无需授权费，摆脱了对国外架构的依赖，能够自主构建用户生态，还能根据自身需求对指令集进行定制和扩展，具有很高的灵活性和可扩展性，为芯片的发展提供了更广阔的空间。

通过这些创新，“无极” 芯片成功实现了 5900 个晶体管的集成，一举打破国际上二维半导体数字电路集成度仅为 115 个晶体管的纪录 ，完成了从材料到架构再到流片的全链条自主研发。其反相器良率高达 99.77% ，具备单级高增益和关态超低漏电等优异性能，在 32 位输入指令的控制下，可实现最大 42 亿的数据间加减运算，支持 GB 级数据存储和访问，以及最长可达 10 亿条精简指令集的程序编写 ，经自动化测试验证，其千门级电路在 1kHz 时钟频率下可串行实现 37 种标准指令，满足物联网、边缘算力及 AI 推理等场景需求，集成工艺优化程度和规模化电路的验证结果，均达到了国际同期最优水平，为二维半导体芯片的发展树立了新的里程碑。

二维半导体芯片在性能上的提升可谓是全方位的，堪称芯片领域的一次 “性能革命”。在运算速度方面，其表现尤为突出。由于二维半导体材料具有高电子迁移率的特性，电子在其中能够快速传输，就像高速公路上疾驰的汽车，畅行无阻。相关研究表明，基于二维半导体材料的晶体管，其电子迁移率可比传统硅基晶体管高出数倍甚至数十倍 ，这使得二维半导体芯片在数据处理速度上大幅领先。例如，在一些对运算速度要求极高的人工智能推理任务中，二维半导体芯片能够在更短的时间内完成复杂的计算，大大提高了人工智能系统的响应速度和运行效率。

低功耗也是二维半导体芯片的一大显著优势。传统硅基芯片在工作时，由于电子传输过程中会受到较多的散射和阻碍，需要消耗大量能量来维持芯片的正常运行 ，这不仅增加了设备的能耗，还会导致芯片发热严重。而二维半导体芯片则不同，高电子迁移率使得电子在传输过程中受到的阻碍极小，只需较少的能量就能实现数据传输和处理，功耗大幅降低。据实验数据显示，在相同的工作负载下，二维半导体芯片的功耗可比传统硅基芯片降低 50% 以上 ，这对于那些依靠电池供电的移动设备和物联网设备来说，意义重大。以智能手机为例，采用二维半导体芯片后，手机的续航时间有望大幅延长，用户无需频繁充电，使用体验得到极大提升。

在集成度方面，二维半导体芯片更是展现出了巨大的潜力。由于二维材料的原子级厚度，使得在有限的芯片面积内可以集成更多的晶体管。前面提到的复旦大学 “无极” 芯片，集成了 5900 个晶体管，实现了二维半导体材料逻辑功能国际上最大规模验证纪录 ，相比传统硅基芯片在相同面积下的晶体管集成数量有了显著提高。更高的集成度意味着芯片可以拥有更强大的计算能力和更多的功能，能够实现更复杂的算法和任务，推动电子设备向小型化、高性能化方向发展。想象一下，未来的电脑主机可以做得像一本书一样轻薄，却拥有比现在台式电脑更强大的性能，这都得益于二维半导体芯片在集成度上的突破。

二维半导体芯片凭借其独特的性能优势，在众多领域展现出了广阔的应用前景，为这些领域的发展带来了新的机遇和变革。

在物联网领域，随着万物互联时代的到来，越来越多的设备需要连接到网络，实现数据的采集、传输和处理。这些物联网设备通常需要具备低功耗、小型化和高可靠性等特点，以适应不同的应用场景。二维半导体芯片正好满足了这些需求，其低功耗特性使得物联网设备可以长时间依靠电池供电，减少更换电池的频率，降低维护成本；原子级厚度的材料特性则为实现设备的小型化提供了可能，能够将芯片集成到各种微小的传感器和设备中，不占空间，让物联网设备更加便捷、灵活。例如，在智能家居系统中，各种智能传感器如温度传感器、湿度传感器、门窗传感器等，都可以采用二维半导体芯片，实现更高效的数据处理和传输，同时延长设备的使用寿命，提升整个智能家居系统的稳定性和可靠性 。

人工智能领域对芯片的性能要求极高，需要芯片具备强大的计算能力和快速的数据处理能力，以支持复杂的算法和模型训练。二维半导体芯片的高运算速度和高集成度，使其成为人工智能芯片的理想选择。在人工智能推理应用中，二维半导体芯片能够快速处理大量的数据，为智能语音助手、图像识别系统、自动驾驶辅助系统等提供实时的决策支持 。比如在自动驾驶领域，车辆需要在极短的时间内对周围的路况信息进行分析和判断，二维半导体芯片可以快速处理摄像头、雷达等传感器传来的数据，及时做出刹车、转向等指令，保障行车安全。而且，随着人工智能技术的不断发展，对芯片性能的要求也会越来越高，二维半导体芯片的潜力有望得到进一步挖掘，推动人工智能技术迈向更高的台阶。

可穿戴设备也是二维半导体芯片的重要应用领域之一。可穿戴设备通常需要佩戴在人体上，因此对设备的舒适性、轻便性和续航能力要求很高。二维半导体芯片的轻薄和低功耗特性，使其非常适合应用于可穿戴设备中。未来，我们或许能看到更轻薄、功能更强大的智能手环和智能手表，它们不仅可以实时监测我们的心率、血压、睡眠等生理数据，还能实现语音通话、信息提醒、移动支付等功能，而且一次充电可以使用数周甚至数月，成为我们生活中不可或缺的智能助手。此外，二维半导体芯片的柔韧性还为可穿戴设备的设计带来了更多的可能性，也许未来会出现可以像衣服一样穿在身上的电子设备，为我们的生活带来全新的体验。

二维半导体芯片的出现，就像一条 “鲶鱼”，给平静的传统芯片产业带来了巨大冲击，可能会重塑整个芯片产业的格局。

对于传统芯片企业来说，二维半导体芯片的崛起是一个严峻的挑战。一直以来，这些企业在硅基芯片领域投入了大量的资金和技术，建立起了庞大的产业链和成熟的商业模式 。但随着二维半导体芯片技术的不断发展，它们可能面临市场份额被挤压的风险。一些在物联网、可穿戴设备等对低功耗和小型化要求较高的领域，二维半导体芯片凭借其独特的优势，可能会迅速抢占市场，让传统硅基芯片企业失去部分市场。就好比曾经的胶卷相机巨头柯达，在数码技术崛起时，由于未能及时转型，最终在市场竞争中败下阵来 ，传统芯片企业如果不能及时跟上二维半导体芯片的发展步伐，也可能面临类似的命运。

从产业链角度来看，二维半导体芯片的发展也将促使整个产业链发生变革。传统的硅基芯片产业链，从硅片制造、芯片设计、芯片制造到封装测试，各个环节都已经形成了相对固定的模式和技术标准 。而二维半导体芯片由于材料和工艺的不同，需要全新的产业链配套。这意味着，现有的产业链企业可能需要进行技术转型和升级，以适应二维半导体芯片的生产需求，否则就可能被市场淘汰。例如，在材料供应方面，需要有专门的企业能够大规模生产高质量的二维半导体材料；在芯片制造设备方面，也需要研发新的设备和工艺，以满足二维半导体芯片对精度和低损伤加工的要求 ，整个产业链都将面临重新洗牌的局面。

当然，二维半导体芯片带来的不仅仅是挑战，更多的是机遇，为新兴企业和科研机构开辟了广阔的发展空间。

对于新兴企业而言，二维半导体芯片领域是一个全新的赛道，没有传统巨头的绝对垄断，大家都站在同一起跑线上，有着平等的竞争机会。这些企业可以凭借自身的创新能力和灵活性，在二维半导体芯片的研发、设计和应用等方面进行突破，迅速崛起。比如一些专注于二维半导体材料研发的初创企业，通过与科研机构合作，不断推出新的二维半导体材料和制备工艺，为二维半导体芯片的发展提供了有力的支持 。在芯片设计领域，新兴企业也可以利用二维半导体芯片的独特性能，开发出具有差异化竞争优势的芯片产品，满足市场对高性能、低功耗芯片的需求，在市场中分得一杯羹。

科研机构在二维半导体芯片的发展中也扮演着重要角色。它们可以充分发挥自身的科研优势，深入研究二维半导体材料的物理性质和应用技术，为二维半导体芯片的技术突破提供理论支持。同时，科研机构还可以与企业合作，加速科研成果的转化，推动二维半导体芯片的产业化进程 。以复旦大学研制 “无极” 芯片为例，就是产学研合作的成功典范，通过科研机构与企业的紧密合作，实现了从材料到芯片的全链条自主研发，为二维半导体芯片的发展树立了标杆。

展望未来，二维半导体芯片有望在多个方面取得进一步发展。在技术上，随着研究的深入，二维半导体芯片的性能将不断提升，集成度将进一步提高，成本也将逐渐降低 。未来或许能看到集成千万级甚至亿级晶体管的二维半导体芯片问世，其性能将远超当前的芯片水平，为人工智能、大数据、云计算等领域的发展提供更强大的算力支持。

在应用方面，二维半导体芯片将在更多领域得到广泛应用，除了前面提到的物联网、人工智能、可穿戴设备等领域，在汽车电子、航空航天、医疗电子等领域也将发挥重要作用 。比如在汽车自动驾驶系统中，二维半导体芯片可以快速处理大量的传感器数据，提高自动驾驶的安全性和可靠性；在航空航天领域，其低功耗和抗辐射性能，使其非常适合用于卫星、航天器等设备中 ，保障设备在复杂环境下的稳定运行。

从产业生态来看，随着二维半导体芯片技术的成熟和应用的推广，将逐渐形成一个完整的产业生态系统，包括材料供应商、芯片设计公司、芯片制造企业、封装测试企业以及终端应用厂商等 ，各个环节相互协作，共同推动二维半导体芯片产业的发展。就像现在的硅基芯片产业一样，形成一个庞大而繁荣的产业集群，带动整个经济的发展和科技的进步。

尽管二维半导体芯片展现出了巨大的潜力，但从实验室走向大规模商业化应用，还有很长的路要走，面临着诸多挑战。

材料制备成本是首要难题。目前，高质量二维半导体材料的制备工艺复杂，产量较低，导致成本居高不下。以二硫化钼为例，虽然它具有优异的半导体性能，但采用化学气相沉积等方法生长出大面积、高质量的二硫化钼薄膜，不仅需要昂贵的设备和特殊的工艺条件，而且生长过程中的材料利用率较低，进一步增加了成本 。这使得二维半导体芯片在与传统硅基芯片的成本竞争中处于劣势，难以大规模推广应用。

量产工艺也是横亘在二维半导体芯片商业化道路上的一座大山。二维材料的原子级厚度使其在加工过程中极易受到损伤，传统的芯片制造工艺难以满足其高精度、低损伤的要求 。尽管复旦大学团队在 “无极” 芯片的研制中采用了创新的工艺技术，实现了一定规模的集成，但要实现工业化大规模量产，还需要进一步优化和完善工艺，提高生产效率和良品率。例如，在光刻环节，如何精确控制光刻胶在二维材料表面的涂覆和曝光，避免对材料造成损伤，同时保证光刻精度，是需要解决的关键问题；在封装环节，如何确保二维芯片与封装材料之间的良好兼容性，提高封装的可靠性，也是亟待攻克的难题。

市场接受度同样不容忽视。经过多年发展，传统硅基芯片已经形成了成熟的产业生态和广泛的市场应用，用户对其性能和可靠性有较高的认可度 。而二维半导体芯片作为一种新兴技术，市场对其性能和稳定性还存在疑虑，需要时间来建立信任。此外，二维半导体芯片的应用可能需要对现有电子设备的设计和制造工艺进行调整，这也增加了其进入市场的难度。比如，在智能手机领域，手机厂商需要重新设计主板布局、散热系统等，以适应二维半导体芯片的特性，这需要投入大量的研发成本和时间，在一定程度上影响了厂商采用二维半导体芯片的积极性。

面对这些挑战，科研人员和企业也在积极探索解决途径。在降低材料制备成本方面，研究人员不断研发新的材料制备技术，提高材料生长的效率和质量，降低成本。例如，一些研究团队正在探索基于溶液法的二维材料制备技术，这种方法具有成本低、可大规模制备等优点，有望实现二维半导体材料的低成本量产 。在量产工艺优化方面，企业和科研机构加强合作，共同研发适合二维半导体芯片的量产工艺，提高生产效率和良品率。比如，通过引入先进的自动化设备和智能化控制系统，实现生产过程的精准控制，减少人为因素对产品质量的影响 。为了提高市场接受度，相关企业积极开展应用示范项目，展示二维半导体芯片的性能优势，同时加强与下游企业的合作，共同推动二维半导体芯片在各领域的应用。例如，在物联网领域，企业与传感器厂商合作，开发基于二维半导体芯片的传感器产品，通过实际应用案例，让市场逐渐认识和接受二维半导体芯片。

二维半导体芯片的出现，无疑是芯片领域的一次重大革命，它为我们打开了一扇通往未来科技世界的大门。从解决传统芯片面临的物理瓶颈，到展现出令人惊叹的性能优势和广泛的应用潜力，再到对整个芯片产业格局产生深远影响，二维半导体芯片正以不可阻挡的态势，引领着芯片技术迈向新的发展阶段。

尽管目前二维半导体芯片在商业化道路上还面临诸多挑战，但科研人员和企业的积极探索与努力，让我们有理由相信，这些问题终将被逐一攻克。也许在不久的将来，我们就能在日常生活中广泛使用到基于二维半导体芯片的电子设备，享受到它带来的便捷和高效。