绍芯实验室成功研发全球首颗二维半导体“万能芯片”

2025-11-07 956

核心提示：近日，绍芯实验室周鹏、包文中联合团队在二维半导体集成电路领域取得重大突破，成功研制出全球首颗基于晶圆级二维半导体材料的现

近日，绍芯实验室周鹏、包文中联合团队在二维半导体集成电路领域取得重大突破，成功研制出全球首颗基于晶圆级二维半导体材料的现场可编程门阵列（以下简称：FPGA）芯片。这项研究成果发表于《国家科学评论》，标志着我国在新一代抗辐射、可重构电子系统芯片研发中迈出关键一步。如果把传统芯片比喻成固定玩具，那么FPGA类似于灵活多变的积木，“拼接”的过程就是编程。它被称为万能芯片，具备性能高、成本低、灵活性、扩展性、开发周期短、长期维护等优势。 “二维半导体领域首次实现如此高复杂度的可编程系统。”绍芯实验室相关负责人表示，这款创新芯片拥有包含约4000个晶体管的FPGA电路。电路包含9个可配置逻辑块、路由资源和内存阵列。芯片通过配置内存阵列中的290个配置位，在无需改变硬件结构的前提下，实现多种逻辑功能。这证明了系统的可重构性，即“一次制造，多次编程”的能力。芯片以二硫化钼作为基材，厚度仅0.7纳米，比头发丝细百万倍。芯片集成了约4000个晶体管，成功实现了二维半导体从简单逻辑电路向复杂可重构功能系统的历史性跨越。“团队之前开发的全球首款基于二维半导体材料的32位微处理‘无极’芯片采用全数字电路设计，与之不同，这款新型FPGA芯片将2T存储器集成到二维数字工艺中，首次实现了不同种类电路的单次流片产出。”团队负责人说。在性能方面，该芯片展现出卓越的抗辐射能力。这一突破性表现验证了二维材料在抗辐射领域的独特价值，为解决航空航天领域电子元器件的辐射防护难题提供了全新方案。传统硅基芯片在太空中需要厚重的屏蔽层来抵抗辐射，而二维芯片凭借其材料特性，能显著减轻航天系统的重量和设计复杂度。在制造工艺上也实现了重要创新。团队采用柔性等离子处理技术等低能量工艺，对二维半导体表面进行精细加工。团队研究人员形象地比喻：“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。”这种精细工艺确保了二维材料的完整性，为芯片性能的稳定性奠定了基础。这款二维FPGA芯片的未来应用前景广阔。除了在航空航天领域的重要应用外，该芯片也适用于人工智能推理、边缘计算及物联网设备。芯片的可重构特性允许用户通过硬件描述语言快速配置逻辑功能，避免了定制专用芯片的高成本和长周期，这将显著加速产品从设计到市场的进程。特别是在AI计算领域，FPGA的可重构性适合AI模型的硬件加速，芯片结构有助于突破“内存墙”，提升AI能效。 “这项突破在新材料芯片研发领域赢得了竞争优势。随着后续研发的持续推进，二维半导体技术有望在更多关键领域发挥重要作用。”团队负责人说。这项研究的产业化前景令人振奋。团队开发的二维半导体集成工艺中，70%左右的工序可直接沿用现有硅基产线成熟技术，为大规模生产铺平了道路。该研究未来有望在越城的产业园区进行工艺优化和中试转化。 “随着二维芯片技术的不断成熟，研究团队未来将推进与硅基产线兼容的集成工艺研发，深化与产业伙伴的协同合作，加速二维芯片从实验室原型走向高价值市场应用的转化进程，为半导体产业的创新升级注入新动能。”团队负责人表示。

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