里程碑！复旦大学，Nature！

米测MeLab

2025-04-10

研究背景

二维（2D）半导体是指厚度在原子层级别的半导体材料，因其在电子、光电等领域的广泛应用潜力，逐渐成为研究热点。与传统的大块半导体材料相比，2D半导体具有原子级薄度、较高的载流子迁移率和可调的能带结构等优点，特别适用于柔性电子、纳米尺度器件及量子计算等前沿技术。

然而，2D半导体在大规模集成、器件稳定性和制造工艺等方面仍然面临诸多挑战。例如，晶体管的集成度仍有限，且在制造过程中，2D半导体的环境敏感性和界面效应可能影响器件的性能，因此亟需解决器件优化与大规模集成的问题。

针对这一挑战，复旦大学周鹏/包文中课题组在“Nature”期刊上发表了题为“A RISC-V 32-bit microprocessor based on two-dimensional semiconductors”的最新论文。该团队设计并制备了一款基于5,900个MoS₂晶体管的简化指令集计算（RISC-V）微处理器，能够执行标准的32位指令。通过对2D逻辑电路的工艺流程和设计进行协同优化，团队成功克服了2D电路晶圆级集成中的重大挑战，实现了高性能MoS₂微处理器的原型。

利用这一创新设计，显著提高了2D半导体器件的集成度和功能性，并成功地构建了一个完整的标准单元库，包含25种逻辑单元。该成果不仅展示了2D半导体在超越硅材料的潜力，也为2D集成电路技术在实际应用中提供了新的技术路径和理论依据。    

研究亮点

（1）实验首次实现了基于5,900个MoS₂晶体管的简化指令集计算（RISC-V）微处理器，成功执行标准的32位指令。该微处理器采用了完整的标准单元库，库中包含25种逻辑单元，展示了2D半导体在数字计算中的应用潜力。

（2）实验通过协同优化2D逻辑电路的工艺流程和设计，克服了晶圆级集成中的重大挑战，成功实现了MoS₂微处理器的原型。该原型显示出在二维半导体集成电路技术方面超越硅材料的巨大潜力，尤其在高性能计算和低功耗方面具有重要优势。

（3）实验还通过对2D半导体技术的标准单元库进行开发，进一步推动了二维半导体技术的工业化应用，制造良率高达99.77%，为未来大规模集成电路的商业化应用提供了有力支撑。

图文解读

图1.RV32-WUJI

图2.FET和逆变器

  图3.逻辑单元

图4.核心单元

图5.RV32-WUJI的架构和设计

结论展望

这项工作标志着一个重要的里程碑，证明了将二维半导体集成到大规模功能电路中已经变得可行。本文的实验室级制造能力使我们能够制造出一个由5900个MoS₂晶体管组成的RISC-V微处理器，这是迄今为止基于二维半导体的最复杂功能电路之一。

值得注意的是，整个RV32-WUJI芯片仅使用n型MoS₂晶体管，并且采用较长的通道长度。这可能在动态性能和功耗方面相较于CMOS技术存在一定的局限性。对于使用单极性晶体管的电路来说，更合适的电路架构，如通道晶体管逻辑，可能是一个折衷的解决方案。从长远来看，我们预计通过进一步优化加工工艺和材料，能够实现短通道尺寸的二维CMOS技术。届时，二维半导体的全部潜力将得以释放。  

原文详情：

Ao, M., Zhou, X., Kong, X. et al. A RISC-V 32-bit microprocessor based on two-dimensional semiconductors. Nature (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-08759-9