原集微科技計(jì)劃三年內(nèi)重點(diǎn)突破材料與硅基工藝兼容等核心難題，建成國際領(lǐng)先的二維半導(dǎo)體示范商業(yè)化產(chǎn)線，依托自主技術(shù)實(shí)現(xiàn)1—2納米級芯片性能，率先實(shí)現(xiàn)二維半導(dǎo)體技術(shù)的商業(yè)化落地

記者 查睿

國內(nèi)首條二維半導(dǎo)體工程化驗(yàn)證示范工藝線6月中旬在上海啟動，2029年有望實(shí)現(xiàn)全球首款二維材料芯片的量產(chǎn)。這意味著，上海在全球二維半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競爭中領(lǐng)先一個(gè)身位。

二維半導(dǎo)體材料作為上海未來產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)方向之一，不僅實(shí)現(xiàn)了“從0到1”的關(guān)鍵技術(shù)突破，還成功推進(jìn)至“從1到10”的產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化階段，當(dāng)下正致力于打通“從10到100”的產(chǎn)品商業(yè)化道路，有望在芯片競爭中開辟出全新賽道。

“上海方案”有望換道超車

早在2022年，上海在國內(nèi)率先發(fā)布未來產(chǎn)業(yè)行動方案，明確提出要積極推動二維半導(dǎo)體材料等未來非硅基半導(dǎo)體材料技術(shù)研究和布局。

二維半導(dǎo)體材料為什么被置于如此重要的戰(zhàn)略地位？答案便是，延續(xù)半個(gè)多世紀(jì)的“摩爾定律”，目前已逼近物理極限。

“晶體管是芯片的最基本元件，它就像是受水龍頭控制的‘水管’，‘水流’就是電子。當(dāng)‘水管’越做越小，‘水管’內(nèi)壁很難加工光滑，‘水流’不暢、關(guān)不緊等問題就隨之而來?！睆?fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院研究員、原集微科技創(chuàng)始人包文中這樣解釋。

這就是今天硅基芯片面臨的困境。目前主流半導(dǎo)體使用硅材料，隨著硅基晶體管尺寸的不斷縮小，制造工藝的難度呈指數(shù)級上升。包文中表示，這意味著硅基“摩爾定律”——集成電路中的晶體管數(shù)量每隔18個(gè)月增加一倍的發(fā)展?fàn)顟B(tài)——將走到盡頭。

復(fù)旦大學(xué)光電研究院院長褚君浩表示，當(dāng)制程節(jié)點(diǎn)推進(jìn)至2納米以下時(shí)，硅基芯片先進(jìn)制程不僅工藝復(fù)雜度呈指數(shù)級上升，難以控制漏電，而且成本飆升。傳統(tǒng)硅基芯片的微縮之路愈發(fā)艱難，世界需要一種新的材料來制造更小、更強(qiáng)的“水管”。

，上海早早便意識到，硅基芯片的局限性，反而是二維新材料的機(jī)遇。深耕未來材料的“上海方案”，或許能為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)換道超車提供全新機(jī)遇。

“破局‘摩爾定律’，二維材料幾乎是完美答案。其‘原子級厚度’與獨(dú)特電子輸運(yùn)特性，可有效解決這一問題，這是用二維材料制作芯片的優(yōu)勢所在?！瘪揖平忉尩?。

“二維材料應(yīng)用在半導(dǎo)體領(lǐng)域，能實(shí)現(xiàn)電子的精準(zhǔn)調(diào)控，有效抑制漏電，還為電子的流動提供了一條低阻力的二維‘高速公路’。這種超薄結(jié)構(gòu)使得制造1納米及以下節(jié)點(diǎn)的晶體管變得更為簡單?！痹⒖萍脊に嚬こ處煾嬖V記者，全球半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)已經(jīng)公認(rèn)二維半導(dǎo)體能夠?yàn)?納米及以下節(jié)點(diǎn)提供新范式，在相同的制程條件下，可使芯片性能實(shí)現(xiàn)大幅提升。

原型產(chǎn)品性能國際最優(yōu)

二維新材料所具備的潛質(zhì)，也吸引了全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的關(guān)注。前不久，美國將其列入國家微電子戰(zhàn)略關(guān)鍵領(lǐng)域，歐盟也宣布加大科研投入，臺積電等行業(yè)巨頭也在抓緊布局。

據(jù)預(yù)測，到2035年全球二維半導(dǎo)體市場規(guī)模將達(dá)300億—500億美元，占據(jù)先進(jìn)半導(dǎo)體市場的10%—15%。 下包文中表示，二維半導(dǎo)體不僅是突破“摩爾定律”的關(guān)鍵，更在云端高性能計(jì)算、邊緣端低功耗算力、先進(jìn)傳感器、可穿戴器件等廣泛市場中有著撒手锏級應(yīng)用。

這也意味著，誰先掌握二維半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)化突破，誰將率先搶占全球百億美元以上的市場。

機(jī)會總是垂青有準(zhǔn)備者。上海在這場全球競爭中，不僅率先實(shí)現(xiàn)了二維半導(dǎo)體“從0到1”的技術(shù)突破，還成功研發(fā)出“從1到10”的原型產(chǎn)品。

通過10年的工藝積累，包文中團(tuán)隊(duì)攻克了二維集成電路制造的完整制程，建立了二維半導(dǎo)體工藝庫，還自主研發(fā)出專用設(shè)備，并搭建起二維半導(dǎo)體的生態(tài)體系，具備從晶圓生長、集成工藝、器件建模、電路設(shè)計(jì)，到封裝測試的完整能力。

今年4月，包文中和復(fù)旦大學(xué)周鵬教授組成的聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，在《自然》期刊發(fā)表了重磅成果，宣布成功研制出全球首款基于二維半導(dǎo)體材料的32位RISC-V架構(gòu)微處理器——“無極”?！盁o極”成功集成了5900個(gè)晶體管，首次突破二維半導(dǎo)體電子學(xué)工程化瓶頸，在全球創(chuàng)下二維邏輯芯片最大規(guī)模驗(yàn)證紀(jì)錄，相關(guān)性能達(dá)到國際同期最優(yōu)水平，而待機(jī)功耗僅為傳統(tǒng)硅基芯片的五分之一。

團(tuán)隊(duì)成員告訴記者，二維半導(dǎo)體芯片的微縮度和集成度還有巨大提升空間，未來產(chǎn)業(yè)化后將快速縮小與硅基芯片的差距。

工藝平臺面向全球開放

一項(xiàng)前沿技術(shù)要從實(shí)驗(yàn)室走向市場，離不開產(chǎn)學(xué)研的深度融合和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的精心培育。

“目前，我們在浦東新區(qū)川沙新鎮(zhèn)建設(shè)一條工程性示范性產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化‘從10到100’的跨越。”為加速技術(shù)轉(zhuǎn)化，包文中團(tuán)隊(duì)于2025年成立原集微科技，與復(fù)旦大學(xué)完成了上千萬元的技術(shù)轉(zhuǎn)化交易，組建了20余人的青年工程師團(tuán)隊(duì)和有10多位頂尖科學(xué)家的顧問團(tuán)。

“我們的目標(biāo)是打造二維半導(dǎo)體界的‘臺積電’?！痹⒖萍加?jì)劃三年內(nèi)重點(diǎn)突破材料與硅基工藝兼容等核心難題，建成國際領(lǐng)先的二維半導(dǎo)體示范商業(yè)化產(chǎn)線，依托自主技術(shù)實(shí)現(xiàn)1—2納米級芯片性能，率先實(shí)現(xiàn)二維半導(dǎo)體技術(shù)的商業(yè)化落地。到2029年，有望實(shí)現(xiàn)全球首款二維材料芯片的量產(chǎn)，用于低功耗邊緣算力等場景。

“二維半導(dǎo)體作為集成電路領(lǐng)域的未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，上海將通過產(chǎn)業(yè)基金引導(dǎo)、稅收優(yōu)惠、土地保障等政策，吸引產(chǎn)業(yè)鏈上下游的優(yōu)質(zhì)企業(yè)匯聚于此，共同塑造一個(gè)專業(yè)化的二維半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集聚高地，形成產(chǎn)業(yè)型協(xié)同創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)?！鄙虾Ｊ锌莆嚓P(guān)負(fù)責(zé)人表示。

“未來通線后，我們也將逐步開放示范性工藝線的器件模型和工藝庫，讓全國乃至全世界有意向研發(fā)二維半導(dǎo)體或者二維硅基異質(zhì)集成芯片的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)和產(chǎn)業(yè)公司，都可以委托上海的這一工藝平臺來制造?！卑闹斜硎?。