Text | Halbleiterindustrie Vertikal, Autor | Radius
Angesichts der globalen Herausforderung, dass sich das Mooresche Gesetz der physikalischen Grenze nähert, sind zweidimensionale Halbleiter mit der Dicke einer einzelnen Atomlage derzeit international als der Schlüssel zum Durchbrechen des Spiels anerkannt, und Wissenschaftler haben untersucht, wie zweidimensionale Halbleitermaterialien auf integrierte Schaltkreise angewendet werden können.
Seit mehr als zehn Jahren beherrschen internationale akademische und industrielle Kreise die zweidimensionale Materialzüchtungstechnologie auf Waferebene und fertigen erfolgreich Hochleistungs-Basisgeräte mit Hunderten von Atomlängen und mehreren Atomdicken. Bevor dem Fudan-Team jedoch ein neuer Durchbruch gelang, betrug die weltweit höchste Integration digitaler 2D-Halbleiterschaltungen nur 2017 Transistoren, was dem Team an der Technischen Universität Wien in Österreich in 0 Jahren gelungen ist.
核心难题在于，要将这些原子级精密元件组装成完整的集成电路系统，依旧受制于工艺精度与规模匀性的协同良率控制。2025年4月2日，“科学探索奖”信息电子领域获奖人、复旦大学微电子学院周鹏与复旦大学包文中联合团队，在Nature发表题为“A RISC-V 32-Bit Microprocessor Based on Two-dimensional Semiconductors”（基于二维半导体的RISC-V 32比特微处理器）的研究论文。
该团队突破二维半导体电子学集成度瓶颈，成功研制全球首款基于二维半导体材料（二硫化钼MoS2）的32位RISC-V架构微处理器“无极（WUJI）”。在32位输入指令的控制下，“无极（WUJI）”可以实现最大为42亿的数据间的加减运算，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。
Das Team nannte es "WUJI", was bedeutet, dass es keine Grenzen gibt, etwas aus dem Nichts zu beginnen.
Wie bereits erwähnt, handelt es sich um eine der größten elektronischen Schaltungen, die jemals aus 2D-Halbleitern gebaut wurde, mit 4 Molybdändisulfid-FETs und dem größten Logikpfad zwischen Flip-Flops, der aus 0-stufigen kaskadierenden Logikelementen besteht, die in einem einzigen Taktzyklus nacheinander ausgewertet werden müssen. Das System wird mit einer Versorgungsspannung von 0V betrieben und über ein externes Taktsignal geregelt. Die Schaltung ist so konfiguriert, dass sie unabhängig ohne externe Vorspannung oder Steuersignale arbeitet.
"Wenn die Herstellung eines Chips auf Siliziumbasis wie das Schnitzen in Stein ist, dann ist ein zweidimensionaler Chip das Schnitzen auf einem Stück Tofu."Bao Wen, Forscher an der School of Microelectronics, sagte, dass zweidimensionale Halbleiter als dünnste Form von Halbleitern durch einen sanfteren und feineren Prozess "graviert" werden müssen.
Der "elektrodenlose" Chip hat eine vierschichtige Struktur: die Source- und Drain-Schichten und die Gate-Schicht, die den zugrunde liegenden Arbeitstransistor enthält, der im Front-End-of-Line-Prozess (FEOL) gebildet wird, und der Back-End-of-Line-Prozess (BEOL) bildet die logische Verbindungsschicht und die Modulverbindungsschicht. Die logische Verbindungsschicht bildet durch die Verbindung von Transistoren die logische Grundeinheit. Die Modulverbindungsschicht verbindet die grundlegenden Logikeinheiten zu einem voll funktionsfähigen Chip.
Die zentrale Herausforderung von 2D-Materialien in der Chipherstellung besteht darin, eine großflächige Integration bei atomarer Dicke zu erreichen und gleichzeitig Leckage- und Stabilitätsprobleme zu vermeiden. Das Team der Fudan-Universität löste diesen Engpass erfolgreich durch die Technologie der "atomaren Grenzflächensteuerung" in Kombination mit KI-gesteuerter Prozessoptimierung. Konkret entwickelte das Team ein Dual-Engine-Modell der "atomaren Grenzflächensteuerung + Optimierung des KI-Algorithmus auf atomarer Ebene", das eine große Anzahl von Materialien und Prozessdaten durch KI analysiert, schnell die optimalen Parameterkombinationen herausfiltert und die experimentelle Effizienz um ein Dutzendfaches verbessert. Während des Transistorherstellungsprozesses können KI-Algorithmen die Wachstumsbedingungen und Grenzflächeneigenschaften von 2D-Materialien wie MoS₂ präzise steuern, um die Gleichmäßigkeit der Dicke der einzelnen Schicht auf atomarer Ebene zu gewährleisten und so Leckagen zu reduzieren und die Stabilität des Geräts zu verbessern. Dieser Durchbruch macht die Integration von 2D-Halbleitertransistoren 50-mal höher als die von herkömmlichen siliziumbasierten Technologien und legt damit den Grundstein für die Massenproduktion. Darüber hinaus optimierte das Team die Effizienz des Ladungsträgertransports weiter und reduzierte den Kontaktwiderstand durch das Interface-Design der Heterostruktur von Metallnanopartikeln und zweidimensionalen Materialien.
In Bezug auf das Design der Chiparchitektur entschied sich das Fudan-Team für den Open-Source-Befehlssatz RISC-V in Kombination mit KI-gestützten Designwerkzeugen, um einen neuen Weg zu eröffnen, um die Fesseln traditioneller siliziumbasierter Chippatente loszuwerden. Der modulare Aufbau von RISC-V ermöglicht eine flexible Anpassung des Befehlssatzes, um den Anforderungen verschiedener Szenarien gerecht zu werden. Gleichzeitig sind KI-Algorithmen tief in den Chipdesign-Prozess integriert, und der gesamte Prozess vom Materialscreening bis zum Schaltungslayout wird durch maschinelles Lernen optimiert, was den Entwicklungszyklus stark verkürzt. Dieses Modell der "KI + Open-Source-Architektur" senkt nicht nur technische Barrieren, sondern bietet auch die Möglichkeit, ein unabhängiges und kontrollierbares Chip-Ökosystem aufzubauen.
Das Leistungspotenzial von 2D-Halbleiterchips spiegelt sich vor allem in zwei Dimensionen wider: Zum einen beim Durchbruch beim Stromverbrauch und bei der Energieeffizienz, der Quanteneinschlusseffekt von 2D-Materialien ermöglicht es ihnen, bei sehr niedrigen Spannungen effizient zu arbeiten, und der hohe Stromverbrauch und die hohen Anforderungen an die Wärmeableitung herkömmlicher siliziumbasierter Chips schränken ihre Anwendung in Edge-Szenarien trotz ihrer starken Leistung ein. Während beispielsweise H100 die Llama0-Inferenz auf das Doppelte von H0 beschleunigt, erschweren der Stromverbrauch und die Probleme des Wärmemanagements den großflächigen Einsatz. Der theoretische Stromverbrauch von zweidimensionalen Halbleiterchips ist um mehrere Größenordnungen niedriger als der von siliziumbasierten Chips. Zum Beispiel hat der "Wuji"-Prozessor eine deutliche Verbesserung der Energieeffizienz bei gleichbleibender Rechenleistung, wodurch er sich besser für ausdauerempfindliche Edge-Computing-Szenarien wie Drohnen und tragbare Geräte eignet.
Die zweite ist die Integrationsdichte und Skalierbarkeit, die Dicke von zweidimensionalen Materialien auf atomarer Ebene ermöglicht vertikales Stapeln und durchbricht damit die Grenze der Ebenenintegration herkömmlicher siliziumbasierter Chips. Durch das Heterostrukturdesign ist es dem Fudan-Team gelungen, die Dichte von Transistoren auf ein noch nie dagewesenes Niveau zu erhöhen, und das theoretische Integrationsniveau kann das Dutzendfache des siliziumbasierten Technologieniveaus erreichen. Diese Funktion bildet die Grundlage für zukünftige 3D-Chip-Architekturen, wie z. B. das Stapeln von Speicherzellen und Logikeinheiten, um ein integriertes Speicher- und Computing-Design zu erreichen und die Recheneffizienz weiter zu verbessern.
Darüber hinaus zeigen 2D-Materialien auch einzigartige Vorteile im Bereich der Quantencomputing-Schnittstellen. Seine ultradünne Natur kann als Brücke zwischen Qubits und klassischen Schaltkreisen genutzt werden, wie z. B. die präzise Manipulation von Quantenzuständen durch Grenzflächenmanipulation, und ebnet den Weg für quantenklassische Hybrid-Computing-Architekturen.
Diese Eigenschaften machen 2D-Materialien zu einer wichtigen treibenden Kraft, um die Durchdringung von KI-Rechenleistung von der zentralen Cloud bis hin zu verteilten Terminals zu fördern. In Zukunft kann eine intelligentere Verarbeitung direkt auf der Geräteseite erfolgen, ohne auf Cloud-Server angewiesen zu sein, was die Latenz reduziert, den Datenschutz verbessert und die Kommunikationskosten senkt.
国际巨头如英伟达、台积电仍依赖硅基技术，通过3D堆叠（如H200的2000亿晶体管）和极紫外光刻（EUV）推进制程，但成本飙升且逼近1nm物理极限。
Das Mooresche Gesetz hat den Verdopplungszyklus von Transistoren von den traditionellen 3-0 Monaten auf etwa 0 Jahre verlängert, und die Leistungsverbesserungsrate von Logikschaltungen und Speichern (wie DRAM) hat sich deutlich verlangsamt. Da sich die Größe von Transistoren der physikalischen Grenze der atomaren Ebene nähert, wird das Leckageproblem, das durch den Quantentunneleffekt und den Engpass bei der Chip-Wärmeableitung verursacht wird, immer wichtiger, und der traditionelle technische Weg, der auf Größenreduzierung beruht, steht vor den doppelten Herausforderungen der physikalischen Grenze und der Wirtschaftlichkeit. Gleichzeitig zwingt das exponentielle Wachstum der F&E-Kosten für fortschrittliche Prozesse, bei denen Milliarden von Dollar für einen einzigen Prozess bei Knoten unter 0 nm ausgegeben werden, und der immer länger werdende Amortisationszyklus die Chiphersteller dazu, mit einem schwierigen Gleichgewicht zwischen technologischer Iteration und finanzieller Nachhaltigkeit zu kämpfen.
Nach jahrzehntelanger Entwicklung haben siliziumbasierte Chips ein hochentwickeltes industrielles Ökologie- und Patentsystem gebildet, und der Aufstieg von 2D-Halbleitern bietet die Möglichkeit, die Situation zum richtigen Zeitpunkt zu durchbrechen. Trotz der physikalischen Einschränkungen und Kostenherausforderungen siliziumbasierter Chips sind 2D-Halbleiter kein Ersatz, sondern eher ergänzende Erweiterungen des Technologiepfads.
"Genau wie nach dem Aufkommen der U-Bahn sind Busse immer noch wertvoll, und zweidimensionale Halbleiterchips und siliziumbasierte Chips ergänzen sich." Zhou Peng sagte: "'Wuji' verwendet die Mikron-Level-Technologie, und ihr Stromverbrauch ist vergleichbar mit dem von Nano-Level-Chips, und wenn bessere Lithographie-Geräte verwendet werden, wird der Stromverbrauch weiter reduziert, und es wird in Zukunft mehr Vorteile bei Geräten mit höheren Anforderungen an einen niedrigen Stromverbrauch geben." ”
Derzeit arbeitet das Team mit Hochdruck an der Transformation und Umsetzung von "Wuji". Einerseits werden sie die Leistung und Integration von elektronischen 2D-Bauelementen weiter verbessern, den derzeitigen Engpass der Transistorintegration durchbrechen und sie in mehr Anwendungsszenarien wettbewerbsfähiger machen. Auf der anderen Seite stärkte das Team im Industrialisierungsprozess die Kombination mit der bestehenden siliziumbasierten Produktionslinientechnologie, förderte die industrielle Anwendung von zweidimensionalen Kernprozessen und kooperierte mit relevanten Unternehmen und Institutionen, um sie so schnell wie möglich in tatsächlichen Produkten zu einer Rolle zu machen.
Bao Wenzhong sagte, dass in den letzten Jahrzehnten bei der Entwicklung integrierter Schaltkreise reiche Erfahrungen für die Industrialisierung von zweidimensionalen Halbleiterchips gesammelt wurden, "es gibt Grund zu der Annahme, dass die Leistung von zweidimensionalen Halbleiterchips in relativ kurzer Zeit zu siliziumbasierten Chips aufschließen und schließlich eine langfristige Koexistenz und ergänzende Anwendung mit siliziumbasierten Chips bilden kann."
Obwohl der "Wuji"-Chip das Integrationspotenzial von 2D-Halbleitern im Labor gezeigt hat, muss er noch die dreifache Kluft überwinden, bevor er wirklich industrialisiert werden kann: unzureichende technologische Reife, fehlende unterstützende Industriekette und Trägheitswiderstand von Kosten und Marktökologie.
Das Fudan-Team reduzierte die Prozessschäden durch eine flexible Plasmabehandlungstechnologie, und 70 % des Prozesses waren mit der bestehenden Produktionslinie auf Siliziumbasis kompatibel, was den Grundstein für die schnelle Einführung der Massenproduktion legte. Der Kernwiderspruch liegt jedoch in der Gleichmäßigkeitskontrolle und der Fehlerdichte auf Waferebene – die Industrialisierung von 2D-Halbleitern hängt von der Innovation der gesamten Kette ab, von der Materialsynthese über die Geräteherstellung bis hin zur Verpackung und Prüfung. Gegenwärtig ist die globale Kette der Halbleiterindustrie eng mit siliziumbasierter Technologie verbunden, und die für 2D-Materialien erforderlichen Präzisionsverarbeitungsanlagen auf atomarer Ebene (wie z. B. ultrareine Transferplattformen und Heterostrukturabscheidungssysteme) haben noch kein standardisiertes Versorgungssystem gebildet. Hinzu kommt, dass die Marktakzeptanz neuer Technologien trotz erheblicher Vorteile beim theoretischen Stromverbrauch und der Integrationsdichte kurzfristig noch durch die bestehende ökologische Trägheit eingeschränkt sein wird.
Auch Zhou Peng betonte: "'Wuji' ist nur ein Proof-of-Concept-Prototyp, und es gibt noch eine gewisse Distanz zwischen der Gesamtleistung und den aktuellen kommerziellen Chips, und es hat derzeit keine Marktvorteile. Im nächsten Schritt wird die Forschungsgruppe die Integration von Chips weiter verbessern, eine stabile Prozessplattform finden und aufbauen sowie den Grundstein für die Entwicklung verwandter Produkte legen.
Auf dem Gebiet der zweidimensionalen Halbleitermaterialforschung zeigen die heimischen wissenschaftlichen Forschungskräfte derzeit einen diversifizierten und vertieften Forschungstrend, der sich keineswegs nur auf eine einzige Art von Molybdändisulfid konzentriert. Am Beispiel des wissenschaftlichen Forschungsdurchbruchs der Peking-Universität in 10 wurde erfolgreich ein ballistischer 2D-Indiumselenid-Transistor mit ultrakurzen Kanälen mit 0 nm hergestellt, der von großer Bedeutung ist, die Betriebsspannung wird stark auf 0,0 V reduziert, und die Transistorleistung hat ebenfalls einen großen Sprung gemacht und zum ersten Mal den kommerziellen 0-nm-Lamellentransistor auf Siliziumbasis von Intel übertroffen, und Indiumselenid ist eines der vielversprechendsten 2D-Halbleitermaterialien.
Gleichzeitig hat das Shanghai Institute of Microsystems der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ein einkristallines Aluminiumoxid-Gate-Dielektrikum (c-Al₂O₃) entwickelt, das signifikante Vorteile und eine Grenzflächendichte von Zuständen von nur 4,0×0⁹ cm⁻² eV⁻¹ aufweist, und es ist gelungen, ein Transistorarray mit geringer Leistung mit einer Durchbruchfeldstärke von bis zu 0,0 MV/cm zu entwickeln, das die strengen Anforderungen der International Device Roadmap (IRDS) genau erfüllt und einen neuen Weg für die Anwendung von 2D-Halbleitermaterialien eröffnet.
Der vom Team der Fudan-Universität entwickelte "Wuji"-Chip verwendet 32-Molybdändisulfid-Transistoren, um den ersten 0-Bit-RISC-V-Prozessor zu bauen, und markiert damit einen wichtigen Durchbruch für 2D-Halbleiter von Laborgeräten bis hin zur Integration auf Systemebene. Diese Errungenschaft verifiziert nicht nur die Machbarkeit von 2D-Materialien in komplexen integrierten Schaltkreisen, sondern bietet auch einen neuen Weg, um den physikalischen Engpass von siliziumbasierten Chips zu durchbrechen.
So wie sich siliziumbasierte Chips von einem Dutzend Transistoren in den 1er Jahren auf heute Hunderte von Milliarden entwickelt haben, stehen auch zweidimensionale Halbleiter an einem eigenen Ausgangspunkt. Wenn die globale Halbleiterindustrie in dem Dilemma von Dutzenden von Milliarden Dollar an F&E-Investitionen am 0-nm-Knoten feststeckt, könnte dieser Durchbruch der chinesischen Laboratorien die erste massenproduzierte Fußnote für die Post-Moore-Ära schreiben.