可能用于边缘计算的新2D芯片

中国科学家表示，一个拥有近 6000 个晶体管的微芯片，每个晶体管只有三个原子厚，是迄今为止由二维材料制成的最复杂的微处理器。

新器件是使用半导体二硫化钼制成的，它由夹在两层硫原子之间的一片钼原子组成。科学家们希望二硫化钼等二维材料能够在无法使用硅取得进一步进展时继续实施摩尔定律。

“尽管二维材料已经被广泛倡导了十多年，但其当前发展的真正限制并不是任何单个设备的性能，因为许多二维电子设备在实验室层面运行得非常好，”上海复旦大学微电子学院教授鲍文忠说.“人们不断质疑 2D 材料实用性的原因是缺乏可扩展、可重复且与工业流程兼容的集成技术系统。”

2D 芯片突破

名为 RV32-WUJI 的新型微芯片拥有 5,931 个使用现有 CMOS 技术制造的二硫化钼晶体管。研究人员说，相比之下，以前最大的 2D 逻辑电路由 156 个二硫化钼晶体管组成。Bao 说，这些新发现标志着“二维半导体材料从设备级实验室研究过渡到系统级工程应用，为后硅时代半导体技术提供了可行的替代方案”。

RV32-WUJI 配备了 RISC-V 架构，能够执行标准 32 位指令。（“RISC”代表“简化指令集计算机”。RISC-V于 2010 年首次推出，提供一套开源的模块化核心指令，以帮助促进广泛的采用和创新。新处理器建立在绝缘蓝宝石衬底上，该衬底以电子方式将晶体管彼此隔离。研究人员还为新芯片开发了一个完整的标准单元库，其中包含 25 种类型的逻辑单元，用于执行基本功能，例如 AND 和 OR。

2D 半导体和晶圆级制造程序的复杂性可能导致许多可能的故障点。为了应对这些挑战，Bao 的团队使用机器学习来帮助他们优化每个流程步骤。总而言之，尽管只有实验室级别的制造能力，但研究人员实现了 99.77% 的制造良率。

“基于我们现有的研究成果，我们计划探索二维集成电路的广泛应用场景，例如用于物联网终端的边缘计算芯片和智能传感芯片，”鲍说。“这些应用场景不仅会更快地展示 2D 半导体的竞争力，也会为未来更高密度芯片的开发提供积极的反馈。”

目前，晶体管通道区域（器件的一个关键特征尺寸）长 3 微米。Bao 说，科学家们计划使用更好的光刻技术“进一步缩小通道以提高集成密度”。

RV32-WUJI 在以 0.43 kHz 的频率运行时仅消耗 1 毫瓦的功率来执行算术。Bao 承认，硅芯片可能拥有比新设备多数百万倍的晶体管和快数百万倍的工作频率。然而，他补充说，他们的新工作是基于大学实验室级别的设备和洁净室环境。相比之下，“从上个世纪到现在，世界投入了大量的研发资源，”Bao 说。如果该行业采用 2D 半导体，“我们相信赶上硅基性能的速度将比我们想象的要快。

科学家们于 4 月 2 日在《自然》杂志上详细介绍了他们的发现。