在半导体科技领域，一场关于材料极限与创新的较量正在悄然进行。随着摩尔定律逐渐逼近物理学的边界，二维半导体材料以其独特的单层原子结构，成为了科学家们公认的破局者。然而，将这些微小的原子级元件整合进复杂的集成电路中，一直是科研人员面临的巨大挑战。
多年来，国际上的学术界与产业界携手共进，已经掌握了在晶圆级上生长二维材料的技术，并成功制造出了高性能的基础器件。这些器件的长度可达数百个原子，厚度则仅为若干个原子。然而，在复旦团队取得历史性突破之前，二维半导体数字电路的最高集成度纪录仅停留在115个晶体管，这一纪录由奥地利维也纳工业大学的团队在2017年创造。
面对这一核心难题，即如何将这些精密的原子级元件组装成完整的集成电路系统，复旦大学的周鹏教授与包文中研究员携手，带领他们的团队取得了重大进展。2025年4月2日，他们在国际顶级期刊《Nature》上发表了一篇题为“基于二维半导体的RISC-V 32比特微处理器”的研究论文，宣布成功研制出了全球首款基于二硫化钼（MoS2）二维半导体材料的32位RISC-V架构微处理器，并将其命名为“无极（WUJI）”。
“无极”寓意着从无到有、没有极限，正如这款微处理器所展现出的无限潜力。它是迄今为止利用二维半导体构建的最大电子电路之一，包含了5900个二硫化钼场效应晶体管，以及由17级级联逻辑元件构成的最大逻辑路径。这些逻辑元件需要在单个时钟周期内进行顺序评估，确保了系统的高效运行。
为了更直观地理解这一成就，微电子学院研究员包文中用了一个生动的比喻：“如果把制造硅基芯片比作在石头上雕刻，那么二维芯片就是在一块豆腐上雕花。”二维半导体作为一种最薄的半导体形态，其制造过程需要更加温和、精细的工艺方法。
“无极”芯片采用了四层结构设计，包括源极、漏极层以及包含底层工作晶体管的栅极层。这一设计不仅提高了芯片的集成度，还确保了其稳定性和性能。该系统由4V的电源电压供电，并受外部时钟信号调控，能够独立运行，无需任何外部偏置或控制信号。
在32位输入指令的控制下，“无极”微处理器能够实现最大为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。这一成就不仅标志着二维半导体材料在集成电路领域取得了重大突破，也为未来的芯片设计和技术创新开辟了新的道路。
“无极”微处理器的成功研制还展示了RISC-V架构的灵活性和可扩展性。作为一款开源的指令集架构，RISC-V为芯片设计提供了更多的自由度和创新空间，使得科研人员能够根据特定需求定制和优化芯片性能。
随着二维半导体材料和RISC-V架构的不断发展和完善，我们有理由相信，未来的芯片将更加高效、智能和灵活。这一领域的突破将为信息技术的发展注入新的活力，推动人类社会迈向更加智能化的未来。
同时，这一成就也彰显了复旦大学在半导体科技领域的领先地位和创新能力。周鹏教授和包文中研究员的团队将继续致力于二维半导体材料的研究和应用，为推动中国半导体产业的发展贡献智慧和力量。
