玩王者荣耀手机卡成PPT？夏天手机秒变暖手宝？电动车续航“冬打骨折”？中国科学家团队于今年4月成功研制的全二维半导体芯片“无极”，将改写这些被硅基“能耗墙”围困的日常。芯片厚度仅为普通A4纸张的十万分之一，运算速度却高达每秒42亿次加减法。笔者探访“无极”研究团队，探究堪称“嫩豆腐上雕花”工艺的二维芯片到底是怎么诞生的，它那原子级“神功”又能为我们的实际生活和各个行业带来哪些增益。
研究艺术效果图
突破“硅”壁：二维材料开辟后摩尔时代新赛道
过去60余年里，芯片运算能力的飞速提升，很大程度上得益于晶体管微缩技术的不断突破，使产业得以持续遵循“摩尔定律”——即每隔18个月，芯片可容纳晶体管数量翻一番。但在指甲盖大小的芯片塞进了百亿晶体管的今天，硅基芯片已逼近其物理极限。复旦大学光电研究院院长褚君浩教授表示，当制程节点推进至2纳米以下时，传统硅基芯片的“微缩之路”将愈发艰难。不仅工艺复杂度和成本会暴增，更面临着难以克服的漏电和热堆积等物理瓶颈，亟需新材料来制造更小、更强的电流通道。
当多国科学家仍在为硅基芯片1纳米节点鏖战时，复旦大学周鹏、包文中团队率先找到了用薄如蝉翼的二硫化钼“破局”的办法。这种二维材料首次实现了5900个晶体管的集成度，将奥地利团队保持了8年的115个晶体管纪录大幅提升了50余倍。
复旦大学团队合影 受访人提供
在决心开辟全新的制芯“赛道”后，团队在二维材料的甄选上可谓历经艰辛。
“我们最初是属意石墨烯的，它的综合性能很优异，是众所周知的‘电流高速公路’，”复旦大学芯片与系统前沿技术研究院院长周鹏教授回忆道，“但它的致命短板是没有晶体管的关键开关功能，就像一扇关不上的门，连最基本的逻辑电路都搭不起来，因此最先被排除。碲化钼倒是有可控开关，但‘腿脚太慢’，导致驱动电流不足，且在空气中暴露后性能衰减严重，稳定性差，综合考量后也未被选中。”谈起那段攻坚岁月，周鹏语气中带着感慨，感觉时间变得格外漫长。团队几乎是“长”在了实验室里，日复一日地测试、失败、再测试……他坦言，那种反复受挫的感觉，一度让大家喘不过气来。
周鹏教授给学生讲解工作原理 受访人提供
峰回路转，团队的目光最终锁定了二硫化钼。正如同为芯片定制的“全能型选手”，它完美平衡了开关能力、运行速度和环境稳定性这三项芯片材料的“硬指标”，突破了二维材料“性能跷跷板”的桎梏，最终成为“无极”芯片不可替代的材料基座。
AI破解“豆腐雕花”密码：二维芯片的工艺革命
在复旦大学超净实验室的显微镜下，一片指甲盖大小的基底上，5900个由二维材料构成的晶体管有序排列，构成了“无极”芯片的“大脑”。这些仅有几个原子层厚度的结构，不仅使晶体管得以进一步缩小并提升性能，也在电子传输过程中带来更高的控制精度，有效缓解硅基器件微缩所面临的漏电和能耗问题。
全球首颗二维半导体32位RISC-V架构微处理器
不过，要在超薄的二维材料上，精准制造出成千上万个性能一致的晶体管，并将其集成到极微小的区域里，其工艺难度堪称“原子级微雕”的极限挑战。包文中研究员对此有一个极为形象的描述：“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嫩豆腐上雕花。”
另外，二维半导体的制备工艺环环相扣，有时候不仅是前一步影响后一步，反过来后续的操作也可能暴露出前面环节的问题。复旦大学博士研究生周秀诚分享道：“我们曾经在某个环节卡了很久，最后才发现其实是前面某个步骤出了小差错。所以我们每完成一步，就会做一轮测试，发现异常就立刻回头调整，不能拖。”
正如包文中研究员所指出的，这种需要不断测试、回溯、调整的试错过程，依赖纯人工操作不仅极其耗时，效率也面临瓶颈。
转机来自团队在人工智能领域的积累。早在2021年，他们就在国际权威刊物发表过关于机器学习优化工艺参数的研究。这次，AI成为破解工艺迷局的关键钥匙。
“我们将团队数年来积累的海量工艺数据输入AI模型，训练系统自动预测最优参数组合。”包文中研究员介绍道。“无极”在引入机器学习、AI赋能后，原子级界面精准调控+全流程AI算法优化的双引擎模式，让他们实现了从材料生长到集成工艺的精准控制。
包文中研究员工作照 受访人提供
除了其精湛性，包文中还向笔者强调，该工艺的精妙之处更在于能与硅基相兼容。这意味着研究团队能直接站在硅基半导体这个“巨人”的肩膀上，利用其成熟的平台和经验，从而快速提高良率、少走弯路，大大加速了研究目标的实现进程。
原子级“神功”：低能耗、高能效的未来芯引擎
“无极”芯片的诞生，不仅是一项实验室突破，更开启了广阔的应用前景，对一些关键领域以及普通百姓的日常生活都有值得期待的变革性赋能。
周鹏教授风趣地说，别看这东西薄得能随风飘起，要借助显微镜才能看得清，它的算力和性能可是能掀翻天花板：1秒钟能运算高达42亿次加减法，丝滑得不带任何卡顿；其存储量能够海纳整座图书馆数据的同时，还能高效执行数十亿条复杂指令。更为突出的是，它虽然用微米级工艺制造，功耗却不到传统硅基芯片的五分之一。
在医疗领域，米粒大小的植入式芯片将使糖尿病患者告别频繁手术——单次植入即可实现十年血糖监测，患者能实现像佩戴智能手表般轻松管理健康。在航空航天领域，它则化身深空探测器的“高温铠甲”，直面火星表面300℃极端温差，使探测器能耗直降60%，华南理工大学物理科学与技术学院卢义刚教授笑言“它让探测器在火星上也能‘轻装上阵’。”消费电子市场更将迎来巨变，搭载该芯片的手机有望实现“充电一刻钟，续航整个月”。针对笔者对设备温控能力的提问，卢义刚教授给出大胆预测：“机身温度或能做到始终低于体温，‘烫手山芋’将成为历史词条。”
包文中宣布启动二维半导体示范工艺线
（原集微科技公司创始人）
谈及产业化落地，包文中坦言当前存在着一定挑战：技术环节如同散落的拼图，材料、工艺、封装等关键步骤尚未形成标准化链条，同时市场对二维芯片的认知与接受度仍需时间培育。但他强调：“这恰如所有颠覆性技术的必经阶段。当务之急是通过示范性应用打通技术闭环，让性能优势自己说话。当人们亲眼见证智能手表全年免充电、超薄笔记本永远告别散热风扇的嗡鸣时，信任的桥梁自然筑成。”此刻包文中研究员微微停顿，一字一句道：“而这座桥梁，正是这颗原子级‘新星’通往千行百业重塑之路的起点。”
想想都觉得热血沸腾：个子小，跑得快，不耗电，还超级稳定！这是不是你的梦中之“芯”？（周笛儿）
(责任编辑：沈晔)