全球首颗！南大团队研制出二维半导体多位并行微处理器芯片
前言
5月26日，南京大学研究团队在国际权威学术期刊《自然·电子》上发表重磅成果——研究人员在厚度仅为0.6纳米的二硫化钼超薄材料上，成功研制出世界首颗二硫化钼多位并行微处理器“梦启-1000”。这一突破性进展，标志着我国二维芯片应用研究实现里程碑式跨越。
梦启-1000”芯片由南京大学王欣然教授、邱浩副教授团队，联合苏州国家实验室、华为技术有限公司协同攻关研制。芯片采用二硫化钼“超薄材料”打造，厚度仅为0.6纳米，约为一根头发丝直径的十五万分之一，堪称在“原子级薄纸”上造芯，因此也被称为“二维芯片”。作为世界首颗二硫化钼多位并行微处理器，“梦启”芯片相较于以往二维芯片，在性能指标实现了质的飞跃。
“梦启”处理器晶圆
下一代芯片：“二维芯片”
过去60年，半导体行业一直遵循着“摩尔定律”：每18个月，芯片上的晶体管数量翻一倍，性能也翻一倍。我们的手机从只能打电话的“砖头”，变成现在能拍照、能玩游戏、能跑 AI 的“超级电脑”，全靠硅基技术支撑下的摩尔定律持续演进，硅基芯片也因此成为了现代信息社会最核心的基石。
但现在，硅基芯片的摩尔定律演进正在逐渐放缓。
硅晶体管已经做到了2纳米节点，只有几十个原子大小了。这时候电子会开始“穿墙而过”（量子隧穿效应），芯片会疯狂漏电、发热，进一步降低功耗、提升性能的难度大幅提升。
相信很多人都经有过这样的经历：早上出门忘带充电器，下午手机就红了电量；玩半小时游戏，手机烫得能煎鸡蛋；想在手机上跑个大模型，卡得半天动不了。这些体验，本质上是现有硅基技术在应对爆发式增长的算力和能效需求时，遇到了阶段性的物理挑战。
这时候，科学家们找到了一张“纸”—二维半导体。
以二硫化钼为代表的二维半导体材料，天生就是“原子级薄”。它的整个沟道只有一层原子，却依然是完美的半导体。电子在里面跑起来，就像在高速公路上开跑车，几乎没有阻力，在逼近极限微缩过程中，其电子传输速度，静电控制能力，及功耗均显示出超越传统体材料的潜力。
简单地说，硅芯片是经过数十年打磨、工艺极其成熟的 “精密厚木板”，二维芯片则是一张拥有独特性能优势的“原子级薄纸”。厚木板在现有工艺下已经做到了极致的轻薄，而用薄纸做芯片，能够在先进节点下实现更高的集成密度、更低的功耗和更优的性能，为芯片技术的发展开辟了全新的空间。
凭借这些优势，二维芯片被国际器件与系统路线图（IRDS）列为后摩尔时代最具潜力的集成电路材料，台积电、英特尔、IMEC等全球顶尖半导体企业与研究机构均已加速布局相关技术研发。
虽然经过了十余年基础研究，二维半导体在材料、器件技术等方面取得诸多成果，但直到现在，它们都还都停留在“实验室”功能验证阶段——每平方毫米只能放下几百个晶体管—相当于在一个标准足球场里，只站了几十人个人。而且它们只能一个比特一个比特地做“串行计算”，就像一个人搬砖，搬完一块再搬下一块；也没有自己的“内存”（寄存器堆），每次算题都要跑到芯片外面去取数据。
为什么会这样？因为二维芯片有三个“天生的弱点”：
第一，材料太娇贵。原子级暴露的表面，稍微有点灰尘、有点缺陷，晶体管的性能就会差很多倍，做100个芯片，可能只有几个能用。
第二，设计全得重来。硅芯片用n型和p型两种晶体管“搭积木”，但二维半导体目前只能做n型一种，传统的设计方法完全用不了，相当于要重新发明一套“积木规则”。
第三，怕高温、易受损。传统工艺是先做晶体管再布线，但后道布线工艺会对二维半导体造成不可逆损伤。
南大团队：产学研深度融合打通产业化路径
针对这三个弱点，南大团队联合苏州实验室、华为，搞出了一条新的技术路径——“跨层次协同优化（MLCO）” —— 给二维芯片量身定制了一套从“打地基”到“精装修”的完整施工标准，一招一式都精准命中痛点，构建了混合集成架构芯片“梦启-1000”。
第一招：产线铺水管，南大修房子
传统工艺是“先盖房子，再装水电”，但高温水电工会烧坏二维半导体。团队反过来，首创“晶圆厂（Fab）前道+实验室（Lab）后道”混合工艺：先让Fab用成熟的0.5微米产线工艺，把芯片的“地基和水电管线”（多层金属互连）铺得整整齐齐，保证工业级的一致，然后再在实验室里，把二硫化钼“超薄纸”精准地转移到上面，做成晶体管。这样一来，既避免了高温烧坏材料，又解决了实验室做不出大规模均匀电路的问题。最终同批次晶体管的性能偏差被控制在了极小范围，向工业量产标准迈出了重要一步。
第二招：把两居室改成三居室，面积省了28%
硅芯片的“积木”是两行布局，刚好能放下n型和p型两种晶体管。但二维芯片只有n型一种，两行布局会浪费很多空间。团队干脆重新设计了“积木规则”，发明了三行式标准单元布局—就像把原来的两居室改成了三居室，同样的面积能多放28%的晶体管，整个芯片的面积直接缩小了15.5%。
第三招：给房间装"隔音墙"，抗干扰能力大幅提升
房子建好了，但二维材料天生“神经敏感”—墙壁稍微薄一点，隔壁稍微吵一点，信号就会“跑偏”，芯片就会算错。团队用蒙特卡洛仿真给整栋楼做了一次“检测”，精准找出哪几面墙隔音最差、最容易“串音”，然后在这些薄弱位置专门加装“隔音墙”（缓冲器）。这样一来，哪怕外面再吵，每个房间里的信号都能清清楚楚、准确无误。最终，他们把4位处理器的仿真良率大幅度提升，大规模二维芯片第一次真正变得“靠谱”了。
第四招：建4层楼，性价比之王
房子建几层也是一门学问。只建两层，住的人少，地皮浪费；非要建十层，施工成本又会飙升。团队反复核算，最终发现四层金属互连是“黄金层数”—比两层楼的占地面积小47%，又比五层以上的建造成本低得多。恰好，这个方案也和工业主流的0.5微米硅基工艺完全兼容，“新房子”直接按成熟标准建，将来产业化落地也更顺畅。
“梦启-1000”：开启下一个“芯”时代
依靠自主创新的制造方案，“梦启-1000”一出手就刷新了世界纪录：
密度翻14倍：在指甲盖1/1000大小的面积里，塞下了1433个二硫化钼晶体管，集成密度达到9336个/mm²。这是什么概念？相当于原来足球场站66人，现在站满933人，还能有序跑动。而且这个密度，已经和同节点的硅基芯片相媲美了。
n让二维芯片第一次能“并行干活”：实现了4位并行计算，就像原来一个人搬砖，现在四个人一起搬。
让二维芯片第一次有了自己的“内存”：把980个晶体管构成的寄存器堆集成在了芯片内部，不用再跑到外面取数据。
心脏跳得够快：团队做了一个101级的环形振荡器（相当于芯片的“脉搏”），最高能跳到105MHz，单级门延迟只有47.1ps—这意味着信号在逻辑门之间传输，只需要47个万亿分之一秒，证明了晶体管一致性和性能是世界顶尖水平。
结语
中国科学院院士、南京大学电子科学与工程学院教授施毅总结，二维半导体这条新赛道上，中国不仅基础研究处于第一方阵，而且通过加强产学研协同攻关走通了产业化路径，“这一方面的研究其实我们已经进行15年了，我们经过努力奋斗，一步一个脚印，在这个赛道上中国已经走到了一个非常领先的位置。掌握下一代材料的核心技术，就是在为未来的主动权提前布局。下一代芯片竞争中，我们正在真正掌握自己的命运。”
（内容来源：南京大学 编辑：功能材料科技创新服务平台）