玩王者榮耀手機卡成PPT？夏天手機秒變暖手寶？電動車續(xù)航“冬打骨折”？中國科學家團隊于今年4月成功研制的全二維半導(dǎo)體芯片“無極”，將改寫這些被硅基“能耗墻”圍困的日常。芯片厚度僅為普通A4紙張的十萬分之一，運算速度卻高達每秒42億次加減法。筆者探訪“無極”研究團隊，探究堪稱“嫩豆腐上雕花”工藝的二維芯片到底是怎么誕生的，它那原子級“神功”又能為我們的實際生活和各個行業(yè)帶來哪些增益。

研究藝術(shù)效果圖

突破“硅”壁：二維材料開辟后摩爾時代新賽道

過去60余年里，芯片運算能力的飛速提升，很大程度上得益于晶體管微縮技術(shù)的不斷突破，使產(chǎn)業(yè)得以持續(xù)遵循“摩爾定律”——即每隔18個月，芯片可容納晶體管數(shù)量翻一番。但在指甲蓋大小的芯片塞進了百億晶體管的今天，硅基芯片已逼近其物理極限。復(fù)旦大學光電研究院院長褚君浩教授表示，當制程節(jié)點推進至2納米以下時，傳統(tǒng)硅基芯片的“微縮之路”將愈發(fā)艱難。不僅工藝復(fù)雜度和成本會暴增，更面臨著難以克服的漏電和熱堆積等物理瓶頸，亟需新材料來制造更小、更強的電流通道。

當多國科學家仍在為硅基芯片1納米節(jié)點鏖戰(zhàn)時，復(fù)旦大學周鵬、包文中團隊率先找到了用薄如蟬翼的二硫化鉬“破局”的辦法。這種二維材料首次實現(xiàn)了5900個晶體管的集成度，將奧地利團隊保持了8年的115個晶體管紀錄大幅提升了50余倍。

復(fù)旦大學團隊合影   受訪人提供

在決心開辟全新的制芯“賽道”后，團隊在二維材料的甄選上可謂歷經(jīng)艱辛。

“我們最初是屬意石墨烯的，它的綜合性能很優(yōu)異，是眾所周知的‘電流高速公路’，”復(fù)旦大學芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院院長周鵬教授回憶道，“但它的致命短板是沒有晶體管的關(guān)鍵開關(guān)功能，就像一扇關(guān)不上的門，連最基本的邏輯電路都搭不起來，因此最先被排除。碲化鉬倒是有可控開關(guān)，但‘腿腳太慢’，導(dǎo)致驅(qū)動電流不足，且在空氣中暴露后性能衰減嚴重，穩(wěn)定性差，綜合考量后也未被選中?！闭勂鹉嵌喂詺q月，周鵬語氣中帶著感慨，感覺時間變得格外漫長。團隊幾乎是“長”在了實驗室里，日復(fù)一日地測試、失敗、再測試……他坦言，那種反復(fù)受挫的感覺，一度讓大家喘不過氣來。

周鵬教授給學生講解工作原理  受訪人提供

峰回路轉(zhuǎn)，團隊的目光最終鎖定了二硫化鉬。正如同為芯片定制的“全能型選手”，它完美平衡了開關(guān)能力、運行速度和環(huán)境穩(wěn)定性這三項芯片材料的“硬指標”，突破了二維材料“性能蹺蹺板”的桎梏，最終成為“無極”芯片不可替代的材料基座。

AI破解“豆腐雕花”密碼：二維芯片的工藝革命

在復(fù)旦大學超凈實驗室的顯微鏡下，一片指甲蓋大小的基底上，5900個由二維材料構(gòu)成的晶體管有序排列，構(gòu)成了“無極”芯片的“大腦”。這些僅有幾個原子層厚度的結(jié)構(gòu)，不僅使晶體管得以進一步縮小并提升性能，也在電子傳輸過程中帶來更高的控制精度，有效緩解硅基器件微縮所面臨的漏電和能耗問題。

全球首顆二維半導(dǎo)體32位RISC-V架構(gòu)微處理器

不過，要在超薄的二維材料上，精準制造出成千上萬個性能一致的晶體管，并將其集成到極微小的區(qū)域里，其工藝難度堪稱“原子級微雕”的極限挑戰(zhàn)。包文中研究員對此有一個極為形象的描述：“如果把制造硅基芯片比作在石頭上雕刻，那么二維芯片就是在一塊嫩豆腐上雕花。” 

另外，二維半導(dǎo)體的制備工藝環(huán)環(huán)相扣，有時候不僅是前一步影響后一步，反過來后續(xù)的操作也可能暴露出前面環(huán)節(jié)的問題。復(fù)旦大學博士研究生周秀誠分享道：“我們曾經(jīng)在某個環(huán)節(jié)卡了很久，最后才發(fā)現(xiàn)其實是前面某個步驟出了小差錯。所以我們每完成一步，就會做一輪測試，發(fā)現(xiàn)異常就立刻回頭調(diào)整，不能拖?！?/p>

正如包文中研究員所指出的，這種需要不斷測試、回溯、調(diào)整的試錯過程，依賴純?nèi)斯げ僮鞑粌H極其耗時，效率也面臨瓶頸。

轉(zhuǎn)機來自團隊在人工智能領(lǐng)域的積累。早在2021年，他們就在國際權(quán)威刊物發(fā)表過關(guān)于機器學習優(yōu)化工藝參數(shù)的研究。這次，AI成為破解工藝迷局的關(guān)鍵鑰匙。

“我們將團隊數(shù)年來積累的海量工藝數(shù)據(jù)輸入AI模型，訓(xùn)練系統(tǒng)自動預(yù)測最優(yōu)參數(shù)組合?！卑闹醒芯繂T介紹道?！盁o極”在引入機器學習、AI賦能后，原子級界面精準調(diào)控+全流程AI算法優(yōu)化的雙引擎模式，讓他們實現(xiàn)了從材料生長到集成工藝的精準控制。

包文中研究員工作照   受訪人提供

除了其精湛性，包文中還向筆者強調(diào)，該工藝的精妙之處更在于能與硅基相兼容。這意味著研究團隊能直接站在硅基半導(dǎo)體這個“巨人”的肩膀上，利用其成熟的平臺和經(jīng)驗，從而快速提高良率、少走彎路，大大加速了研究目標的實現(xiàn)進程。

原子級“神功”：低能耗、高能效的未來芯引擎

“無極”芯片的誕生，不僅是一項實驗室突破，更開啟了廣闊的應(yīng)用前景，對一些關(guān)鍵領(lǐng)域以及普通百姓的日常生活都有值得期待的變革性賦能。

周鵬教授風趣地說，別看這東西薄得能隨風飄起，要借助顯微鏡才能看得清，它的算力和性能可是能掀翻天花板：1秒鐘能運算高達42億次加減法，絲滑得不帶任何卡頓；其存儲量能夠海納整座圖書館數(shù)據(jù)的同時，還能高效執(zhí)行數(shù)十億條復(fù)雜指令。更為突出的是，它雖然用微米級工藝制造，功耗卻不到傳統(tǒng)硅基芯片的五分之一。

在醫(yī)療領(lǐng)域，米粒大小的植入式芯片將使糖尿病患者告別頻繁手術(shù)——單次植入即可實現(xiàn)十年血糖監(jiān)測，患者能實現(xiàn)像佩戴智能手表般輕松管理健康。在航空航天領(lǐng)域，它則化身深空探測器的“高溫鎧甲”，直面火星表面300℃極端溫差，使探測器能耗直降60%，華南理工大學物理科學與技術(shù)學院盧義剛教授笑言“它讓探測器在火星上也能‘輕裝上陣’。”消費電子市場更將迎來巨變，搭載該芯片的手機有望實現(xiàn)“充電一刻鐘，續(xù)航整個月”。針對筆者對設(shè)備溫控能力的提問，盧義剛教授給出大膽預(yù)測：“機身溫度或能做到始終低于體溫，‘燙手山芋’將成為歷史詞條?！?/p>

包文中宣布啟動二維半導(dǎo)體示范工藝線

（原集微科技公司創(chuàng)始人）

談及產(chǎn)業(yè)化落地，包文中坦言當前存在著一定挑戰(zhàn)：技術(shù)環(huán)節(jié)如同散落的拼圖，材料、工藝、封裝等關(guān)鍵步驟尚未形成標準化鏈條，同時市場對二維芯片的認知與接受度仍需時間培育。但他強調(diào)：“這恰如所有顛覆性技術(shù)的必經(jīng)階段。當務(wù)之急是通過示范性應(yīng)用打通技術(shù)閉環(huán)，讓性能優(yōu)勢自己說話。當人們親眼見證智能手表全年免充電、超薄筆記本永遠告別散熱風扇的嗡鳴時，信任的橋梁自然筑成?！贝丝贪闹醒芯繂T微微停頓，一字一句道：“而這座橋梁，正是這顆原子級‘新星’通往千行百業(yè)重塑之路的起點?！?/p>

想想都覺得熱血沸騰：個子小，跑得快，不耗電，還超級穩(wěn)定！這是不是你的夢中之“芯”？（周笛兒）