Văn bản | Ngành công nghiệp bán dẫn, Tác giả | Bán kính
Đối mặt với thách thức toàn cầu của Định luật Moore đang tiến gần đến giới hạn vật lý, chất bán dẫn hai chiều có độ dày bằng một lớp nguyên tử hiện đang được quốc tế công nhận là chìa khóa để phá vỡ cuộc chơi và các nhà khoa học đã và đang khám phá cách áp dụng vật liệu bán dẫn hai chiều vào các mạch tích hợp.
Trong hơn mười năm, giới học thuật và công nghiệp quốc tế đã thành thạo công nghệ tăng trưởng vật liệu hai chiều cấp độ wafer và sản xuất thành công các thiết bị cơ bản hiệu suất cao với hàng trăm chiều dài nguyên tử và một số độ dày nguyên tử. Tuy nhiên, trước khi đội ngũ Fudan có bước đột phá mới, tích hợp mạch kỹ thuật số bán dẫn 2D cao nhất thế giới chỉ là 2017 bóng bán dẫn, điều này được nhóm tại Đại học Kỹ thuật Vienna ở Áo đạt được trong 0 năm.
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。
Nhóm đặt tên cho nó là "WUJI", có nghĩa là không có giới hạn để bắt đầu một cái gì đó từ con số không.
Như đã đề cập trước đó, đây là một trong những mạch điện tử lớn nhất từng được xây dựng bằng chất bán dẫn 2D, chứa 4 FET molypden disulfide và đường dẫn logic lớn nhất giữa các flip-flop bao gồm các phần tử logic xếp tầng 0 giai đoạn cần được đánh giá tuần tự trong một chu kỳ đồng hồ duy nhất. Hệ thống được cung cấp bởi điện áp cung cấp 0V và được điều chỉnh bởi tín hiệu đồng hồ bên ngoài. Mạch được cấu hình để hoạt động độc lập mà không có bất kỳ tín hiệu điều khiển hoặc phân cực bên ngoài nào.
"Nếu làm một con chip dựa trên silicon giống như chạm khắc trên đá, thì một con chip hai chiều là chạm khắc trên một miếng đậu phụ."Bao Wen, một nhà nghiên cứu tại Trường Vi điện tử, cho rằng, chất bán dẫn hai chiều, là dạng chất bán dẫn mỏng nhất, phải được "khắc" bằng một quy trình nhẹ nhàng và tinh tế hơn.
Chip "không điện cực" có cấu trúc bốn lớp: lớp nguồn và lớp thoát nước và lớp cổng chứa bóng bán dẫn làm việc bên dưới, được hình thành trong quá trình đầu cuối của đường dây (FEOL) và quá trình đầu cuối của dòng (BEOL) tạo thành lớp kết nối logic và lớp kết nối mô-đun. Lớp kết nối logic tạo thành đơn vị logic cơ bản bằng cách kết nối các bóng bán dẫn. Lớp kết nối mô-đun kết nối các đơn vị logic cơ bản để tạo thành một chip đầy đủ chức năng.
Thách thức cốt lõi của vật liệu 2D trong sản xuất chip là làm thế nào để đạt được sự tích hợp quy mô lớn ở độ dày nguyên tử, đồng thời tránh các vấn đề về rò rỉ và ổn định. Nhóm nghiên cứu của Đại học Fudan đã giải quyết thành công nút thắt cổ chai này thông qua công nghệ "điều khiển chính xác giao diện cấp nguyên tử" kết hợp với tối ưu hóa quy trình do AI điều khiển. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã phát triển mô hình động cơ kép "điều khiển chính xác giao diện cấp nguyên tử + tối ưu hóa thuật toán AI toàn quy trình", phân tích một số lượng lớn vật liệu và dữ liệu quy trình thông qua AI, nhanh chóng sàng lọc các tổ hợp tham số tối ưu và cải thiện hiệu quả thử nghiệm lên hàng chục lần. Trong quá trình sản xuất bóng bán dẫn, các thuật toán AI có thể kiểm soát chính xác các điều kiện tăng trưởng và tính chất giao diện của vật liệu 2D như MoS₂ để đảm bảo tính đồng nhất của độ dày cấp nguyên tử của lớp đơn, do đó giảm rò rỉ và cải thiện độ ổn định của thiết bị. Bước đột phá này làm cho việc tích hợp bóng bán dẫn 2D cao hơn 50 lần so với các công nghệ dựa trên silicon truyền thống, đặt nền móng cho sản xuất hàng loạt. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đã tối ưu hóa hơn nữa hiệu quả vận chuyển chất mang và giảm điện trở tiếp xúc thông qua thiết kế giao diện của cấu trúc dị dạng của các hạt nano kim loại và vật liệu hai chiều.
Về thiết kế kiến trúc chip, nhóm Fudan đã chọn bộ lệnh RISC-V mã nguồn mở, kết hợp với các công cụ thiết kế có sự hỗ trợ của AI, để mở ra một con đường mới để thoát khỏi xiềng xích của các bằng sáng chế chip dựa trên silicon truyền thống. Bản chất mô-đun của RISC-V cho phép tùy chỉnh linh hoạt bộ lệnh để đáp ứng nhu cầu của các tình huống khác nhau. Đồng thời, các thuật toán AI được tích hợp sâu vào quá trình thiết kế chip và toàn bộ quá trình từ sàng lọc vật liệu đến bố trí mạch được tối ưu hóa thông qua máy học, giúp rút ngắn đáng kể chu kỳ phát triển. Mô hình "AI + kiến trúc mã nguồn mở" này không chỉ hạ thấp rào cản kỹ thuật mà còn cung cấp khả năng xây dựng một hệ sinh thái chip độc lập và có thể kiểm soát được.
Tiềm năng hiệu suất của chip bán dẫn 2D chủ yếu được phản ánh ở hai chiều: một là sự đột phá về tiêu thụ điện năng và hiệu quả năng lượng, hiệu ứng giam giữ lượng tử của vật liệu 2D cho phép chúng hoạt động hiệu quả ở điện áp rất thấp, và yêu cầu tiêu thụ điện năng và tản nhiệt cao của chip dựa trên silicon truyền thống hạn chế ứng dụng của chúng trong các tình huống biên mặc dù hiệu suất mạnh mẽ của chúng. Ví dụ: trong khi H100 tăng tốc suy luận Llama0 lên gấp đôi so với H0, các vấn đề về tiêu thụ điện năng và quản lý nhiệt của nó khiến việc triển khai quy mô lớn trở nên khó khăn. Mức tiêu thụ điện năng lý thuyết của chip bán dẫn hai chiều thấp hơn vài bậc so với chip dựa trên silicon. Ví dụ: bộ xử lý "Wuji" có sự cải thiện đáng kể về hiệu quả năng lượng trong khi vẫn duy trì sức mạnh tính toán tương tự, làm cho nó phù hợp hơn với các tình huống điện toán biên nhạy cảm với độ bền như máy bay không người lái và thiết bị đeo.
Thứ hai là mật độ tích hợp và khả năng mở rộng, độ dày cấp nguyên tử của vật liệu hai chiều cho phép xếp chồng thẳng đứng, vượt qua giới hạn tích hợp mặt phẳng của chip dựa trên silicon truyền thống. Thông qua thiết kế cấu trúc không đồng nhất, nhóm Fudan đã thành công trong việc tăng mật độ của bóng bán dẫn lên mức chưa từng có và mức độ tích hợp lý thuyết có thể đạt gấp hàng chục lần so với công nghệ dựa trên silicon. Tính năng này cung cấp nền tảng cho các kiến trúc chip 3D trong tương lai, chẳng hạn như xếp chồng các ô bộ nhớ và đơn vị logic để đạt được thiết kế lưu trữ và tính toán tích hợp, đồng thời cải thiện hơn nữa hiệu quả tính toán.
Ngoài ra, vật liệu 2D còn cho thấy những ưu điểm độc đáo trong lĩnh vực giao diện điện toán lượng tử. Bản chất siêu mỏng của nó có thể được sử dụng như một cầu nối giữa các qubit và mạch cổ điển, chẳng hạn như thao tác chính xác các trạng thái lượng tử thông qua thao tác giao diện, mở đường cho các kiến trúc điện toán lai lượng tử-cổ điển.
Những đặc điểm này làm cho vật liệu 2D trở thành động lực chính để thúc đẩy sự thâm nhập của sức mạnh tính toán AI từ đám mây tập trung sang thiết bị đầu cuối phân tán. Trong tương lai, quá trình xử lý thông minh hơn có thể xảy ra trực tiếp ở phía thiết bị mà không cần dựa vào máy chủ đám mây, giảm độ trễ, cải thiện quyền riêng tư và giảm chi phí liên lạc.
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。
Định luật Moore đã kéo dài chu kỳ tăng gấp đôi của bóng bán dẫn từ 3-0 tháng truyền thống lên khoảng 0 năm và tốc độ cải thiện hiệu suất của các mạch logic và bộ nhớ (chẳng hạn như DRAM) đã chậm lại đáng kể. Khi kích thước của bóng bán dẫn tiếp cận giới hạn vật lý của cấp nguyên tử, vấn đề rò rỉ gây ra bởi hiệu ứng đường hầm lượng tử và nút thắt cổ chai của tản nhiệt chip ngày càng trở nên nổi bật và con đường kỹ thuật truyền thống dựa vào việc giảm kích thước đang phải đối mặt với những thách thức kép về giới hạn vật lý và tính kinh tế. Đồng thời, sự tăng trưởng theo cấp số nhân của chi phí R&D quy trình tiên tiến, với hàng tỷ đô la chi cho một quy trình duy nhất tại các nút dưới 0nm và chu kỳ hoàn vốn thương mại hóa ngày càng kéo dài, buộc các nhà sản xuất chip phải vật lộn với sự cân bằng khó khăn giữa lặp lại công nghệ và tính bền vững tài chính.
Sau nhiều thập kỷ phát triển, chip dựa trên silicon đã hình thành một hệ sinh thái công nghiệp và hệ thống bằng sáng chế rất trưởng thành, đồng thời sự gia tăng của chất bán dẫn 2D mang đến cơ hội để phá vỡ tình hình vào đúng thời điểm. Bất chấp những hạn chế về vật lý và thách thức về chi phí của chip dựa trên silicon, chất bán dẫn 2D không phải là sự thay thế của chúng, mà là phần mở rộng bổ sung cho con đường công nghệ.
"Cũng giống như sau khi tàu điện ngầm xuất hiện, xe buýt vẫn có giá trị, và chip bán dẫn hai chiều và chip dựa trên silicon là bổ sung cho nhau." Zhou Peng nói, "'Wuji' sử dụng công nghệ cấp micron và mức tiêu thụ điện năng của nó có thể so sánh với chip cấp nano, và nếu sử dụng thiết bị in thạch bản tốt hơn, mức tiêu thụ điện năng sẽ giảm hơn nữa và nó sẽ có nhiều lợi thế hơn trong thiết bị có yêu cầu cao hơn về mức tiêu thụ điện năng thấp trong tương lai." ”
Hiện tại, nhóm đang làm việc chăm chỉ để chuyển đổi và triển khai "Wuji". Một mặt, chúng sẽ cải thiện hơn nữa hiệu suất và tích hợp của các thiết bị điện tử 2D, vượt qua nút thắt cổ chai hiện tại của việc tích hợp bóng bán dẫn và làm cho chúng cạnh tranh hơn trong nhiều tình huống ứng dụng hơn. Mặt khác, trong quá trình công nghiệp hóa, nhóm đã tăng cường kết hợp với công nghệ dây chuyền sản xuất dựa trên silicon hiện có, thúc đẩy ứng dụng công nghiệp các quy trình đặc trưng hai chiều cốt lõi, đồng thời hợp tác với các doanh nghiệp và tổ chức có liên quan để làm cho chúng đóng vai trò trong sản phẩm thực tế càng sớm càng tốt.
Bao Wenzhong nói rằng trong vài thập kỷ qua, sự phát triển của mạch tích hợp đã tích lũy được kinh nghiệm phong phú cho việc công nghiệp hóa chip bán dẫn hai chiều, "có lý do để tin rằng hiệu suất của chip bán dẫn hai chiều có thể bắt kịp các chip dựa trên silicon trong một khoảng thời gian tương đối ngắn, và cuối cùng hình thành sự cùng tồn tại lâu dài và ứng dụng bổ sung với chip dựa trên silicon."
Mặc dù chip "Wuji" đã cho thấy tiềm năng tích hợp của chất bán dẫn 2D trong phòng thí nghiệm, nhưng nó vẫn cần phải vượt qua ba vực thẳm trước khi có thể thực sự công nghiệp hóa: không đủ độ trưởng thành của công nghệ, thiếu chuỗi công nghiệp hỗ trợ và khả năng chống chịu quán tính của chi phí và hệ sinh thái thị trường.
Nhóm Fudan đã giảm thiệt hại của quy trình thông qua công nghệ xử lý plasma linh hoạt và 70% quy trình tương thích với dây chuyền sản xuất dựa trên silicon hiện có, đặt nền móng cho việc giới thiệu nhanh chóng sản xuất hàng loạt. Tuy nhiên, mâu thuẫn cốt lõi nằm ở việc kiểm soát độ đồng nhất ở cấp độ wafer và mật độ khuyết tật — việc công nghiệp hóa chất bán dẫn 2D phụ thuộc vào sự đổi mới của toàn bộ chuỗi từ tổng hợp vật liệu, sản xuất thiết bị đến đóng gói và thử nghiệm. Hiện tại, chuỗi công nghiệp bán dẫn toàn cầu gắn bó sâu sắc với công nghệ dựa trên silicon và thiết bị xử lý chính xác cấp nguyên tử cần thiết cho vật liệu 2D (chẳng hạn như nền tảng chuyển siêu sạch và hệ thống lắng đọng cấu trúc dị chất) vẫn chưa hình thành một hệ thống cung cấp tiêu chuẩn. Ngoài ra, mặc dù có lợi thế đáng kể về mức tiêu thụ điện năng lý thuyết và mật độ tích hợp, sự chấp nhận của thị trường đối với các công nghệ mới vẫn sẽ bị hạn chế bởi quán tính sinh thái hiện có trong ngắn hạn.
Zhou Peng cũng nhấn mạnh: "'Wuji' chỉ là một nguyên mẫu bằng chứng khái niệm, và vẫn còn một khoảng cách nhất định giữa hiệu suất tổng thể và các chip thương mại hiện tại, và nó hiện không có lợi thế thị trường. Trong bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ cải thiện hơn nữa việc tích hợp chip, tìm kiếm và xây dựng một nền tảng quy trình ổn định, đồng thời đặt nền móng cho sự phát triển của các sản phẩm liên quan.
Hiện nay, trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu bán dẫn hai chiều, các lực lượng nghiên cứu khoa học trong nước đang cho thấy xu hướng thăm dò đa dạng và chuyên sâu, và họ không có nghĩa là chỉ tập trung vào một loại molypden disulfide duy nhất. Lấy bước đột phá nghiên cứu khoa học của Đại học Bắc Kinh vào năm 10 làm ví dụ, nó đã chế tạo thành công bóng bán dẫn indium selenide 2D đạn đạo kênh siêu ngắn 0nm, có ý nghĩa lớn, điện áp hoạt động giảm đáng kể xuống còn 0,0V và hiệu suất bóng bán dẫn cũng đã đạt được một bước nhảy vọt lớn, lần đầu tiên vượt qua bóng bán dẫn vây dựa trên silicon 0nm thương mại của Intel và indium selenide là một trong những vật liệu bán dẫn 2D hứa hẹn nhất.
Đồng thời, Viện Vi hệ thống Thượng Hải, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, cũng đã phát triển vật liệu điện môi cổng alumin đơn tinh thể (c-Al₂O₃), có lợi thế đáng kể và mật độ giao diện của các trạng thái thấp tới 4,0×0⁹ cm⁻² eV⁻¹, và đã tạo ra thành công một mảng bóng bán dẫn công suất thấp với cường độ trường đánh thủng lên đến 0,0MV / cm, đáp ứng chính xác các yêu cầu nghiêm ngặt của Lộ trình thiết bị quốc tế (IRDS) và mở ra một con đường mới cho việc ứng dụng vật liệu bán dẫn 2D.
Con chip "Wuji" do nhóm nghiên cứu của Đại học Phúc Đán phát triển sử dụng 32 bóng bán dẫn molypden disulfide để xây dựng bộ xử lý RISC-V 0-bit đầu tiên, đánh dấu bước đột phá quan trọng cho chất bán dẫn 2D từ thiết bị phòng thí nghiệm đến tích hợp cấp hệ thống. Thành tựu này không chỉ xác minh tính khả thi của vật liệu 2D trong các mạch tích hợp phức tạp mà còn cung cấp một con đường mới để vượt qua nút thắt cổ chai vật lý của chip dựa trên silicon.
Cũng giống như các chip dựa trên silicon đã phát triển từ hàng chục bóng bán dẫn vào những năm 1 đến hàng trăm tỷ ngày nay, chất bán dẫn hai chiều cũng đang đứng ở điểm khởi đầu của riêng chúng. Khi ngành công nghiệp bán dẫn toàn cầu bị mắc kẹt trong tình thế tiến thoái lưỡng nan của hàng chục tỷ đô la đầu tư R&D vào nút 0nm, bước đột phá này từ các phòng thí nghiệm Trung Quốc có thể là ghi chú sản xuất hàng loạt đầu tiên cho kỷ nguyên hậu Moore.