戍天九思原创第901期
据4月2日《科技日报》报道，全球首款基于二维半导体材料的32位RISC-V架构微处理器“无极”登上《自然》杂志。“无极”由复旦大学周鹏、包文中团队打造，通过自主创新的特色集成工艺，“无极”集成晶体管达5900个，实现了二维逻辑功能全球最大规模验证纪录。《自然》审稿人评价：“这是本世纪材料科学最激动人心的突破，堪比当年石墨烯的发现。”这标志着二维半导体从实验室概念验证迈向实用化集成新阶段。
中国“无极”二维芯片的重大突破
“雕塑同样的物品，用豆腐雕刻比用玉石雕刻更难，因为材料的脆弱大大提升了雕刻难度。”复旦大学研究员包文中形象地描述使用二维半导体与传统硅基半导体制造微处理器的难度区别。
此前，国际上二维芯片最高集成度纪录是奥地利团队于2017年实现的115个晶体管。复旦大学团队经过5年技术攻关和迭代，通过自主创新的特色集成工艺，“无极”集成晶体管达5900个，实现了二维逻辑功能全球最大规模验证纪录。
“无极”的工艺流程非常复杂，参数设置依靠人工很难完成。周鹏说，团队创新开发了AI驱动工艺优化技术，通过“原子级界面精准调控+全流程AI算法优化”双引擎，实现了从材料生长到集成工艺的精准控制，反相器良率高达99.77%，单级高增益和超低漏电性能显著提升芯片质量。
通过概念验证后，“无极”正计划进入中试阶段。据介绍，在“无极”的电路集成工艺中，70%左右的工序可直接沿用现有硅基生产线成熟技术，而核心的二维特色工艺也已构建包含20余项工艺发明专利，结合专用工艺设备的自主技术体系，为未来的产业化落地铺平道路。
周鹏介绍：“在待机条件下，3微米尺寸的二维半导体和28纳米尺寸的传统半导体耗能是一样的。”这意味着在同样大小和规模的情况下，二维半导体处理器耗能将大大低于传统处理器。
周鹏还表示，二维半导体将会与传统的硅基半导体长期共存互补。从远期来看，二维半导体微处理器会沿用传统微处理器的设备接口等，能直接应用于各种传统应用场景。
中国在二维芯片新战场全面领先美国
当前，因量子隧穿效应导致的漏电问题和功耗问题，使传统硅基芯片逼近1纳米物理极限，而二维半导体（石墨烯、二硫化钼等）通过短沟道效应抑制、低接触电阻优化和异质集成能力，为延续摩尔定律提供了新路径。
因此，美国国防部高级研究计划局(DARPA)“电子复兴计划”、欧盟微电子研究中心(IMEC)、日本、韩国等均将二维半导体列为战略方向。中国将二维半导体列为国家自然科学基金重大项目——“硅兼容二维半导体材料与器件”，并于2021年全面启动，聚焦晶圆制备、感存算融合器件等核心环节。
目前，中国在二维半导体专利数量和学术成果上优势显著。根据2023-2024年度数据，中国半导体专利申请量激增42%，总量达46591项，远超美国的21269项（增幅9%），位列全球第一。2018-2023年，中国在芯片设计与制造领域的论文占比34%，高被引论文占比50%，远超美国的22%和欧洲的17%。北京大学、复旦大学等机构已在大尺寸单晶生长、顶栅晶体管设计等领域领先全球。北京大学团队已实现晶圆级二维单晶薄膜制备，迁移率高达180 cm²/V·s，超越硅基水平。清华大学2024年二维半导体专利申请达到428项，超过麻省理工和加州理工的总和，其中3项核心专利被国际半导体技术路线图委员会纳入备选方案。
全球最大二维芯片“无极”在集成规模（约6000晶体管）和制程工艺（3μm）上相当于硅基20世纪80年代水平，但其功耗效率接近28nm节点。若中试顺利，3-5年内可进入小批量生产，10年内或实现与硅基芯片的互补共存。
二维芯片应用潜力巨大——无人机可望率先用上
尽管目前二维芯片集成与硅基芯片仍有差距，但二维芯片已具备处理复杂指令的能力，支持GB级数据存储与42亿次加减运算，可满足无人机实时图像处理和避障算法需求，可使无人机待机能耗降低50%、运行功耗减少30%。
总之，二维芯片凭借低功耗、小型化、环境适应性和自主可控等优势，可广泛用于智能服装、电子皮肤、折叠屏手机、无人机、机器人、生物和航天传感器、物联网、量子计算等领域创新，形成新的产业生态。
二维芯片军事应用前景广泛。二维芯片的超薄特性可显著减轻无人机重量，低功耗延长续航时间，而高性能算力支持更复杂的AI推理（如自主避障、实时图像处理），契合无人机智能化升级需求。
短期内，其可能率先应用于对续航和体积敏感的侦察型无人机；长期来看，随着集成度提升和量产技术成熟，或与硅基芯片形成互补，赋能集群协同、智能决策等更复杂的作战场景，推动军用无人机向高效化、智能化方向迈进。
