简介：传统硅基芯片面临物理极限与工艺难题，二维芯片应运而生。它凭借独特优势，在研发上不断取得突破，有望在机器视觉、物联网等多领域掀起变革，重塑芯片产业格局 。
在科技飞速发展的时代，芯片作为现代科技的核心，如同数字世界的“大脑”，推动着各类电子产品和信息技术的革新。从智能手机到超级计算机，从自动驾驶汽车到工业机器人，芯片无处不在，其性能的优劣直接决定了设备的功能和效率。然而，随着集成电路技术的不断推进，传统硅基CMOS器件在“摩尔定律”的指引下持续微缩，当制程进入3纳米节点以下时，一系列棘手的问题接踵而至，仿佛为芯片技术的发展筑起了一道难以逾越的高墙。
硅基CMOS器件微缩到3纳米节点以下时，栅极对沟道的控制能力大幅减弱。这就好比原本能够精准操控水流的阀门，随着尺寸的不断缩小，渐渐失去了对水流的有效控制，导致漏电现象愈发严重。与此同时，漏电流的增加使得芯片的功耗大幅上升，不仅降低了能源利用效率，还带来了严重的散热问题。这不仅限制了芯片性能的进一步提升，还增加了设备的运行成本和维护难度。在这种情况下，寻找一种能够突破传统硅基晶体管物理极限的新材料，成为了芯片领域亟待解决的关键问题。
二维半导体材料的出现，宛如一道曙光，为芯片技术的发展带来了新的希望。这类材料具有表面无悬挂键、原子级均匀厚度和高迁移率等独特特性，这些特性使得它们能够突破传统硅基晶体管的本征物理极限，为“后硅材料”时代的CMOS器件微缩提供了可能。基于二维半导体材料制造的二维芯片，正逐渐成为芯片领域的研究热点和发展方向。
二维芯片的基本单元同样是晶体管，这一点与硅基芯片类似。但二维芯片所使用的二维半导体材料具有原子级超薄的特性，这使得二维芯片在工作原理和性能上与传统硅基芯片有着显著的差异。以二维环栅晶体管为例，它是由高迁移率二维铋基半导体及其高介电常数自然氧化物栅介质精准集成，并通过极限微缩形成的三维新架构。这种独特的结构设计，使得二维环栅晶体管在性能上具有明显的优势。层状氧化物的介电常数较大，这意味着制成的控制栅极所需的电压大幅减小。在提升芯片算力、降低漏电现象的同时，还能将能耗降到最低，实现了性能与功耗的完美平衡。
近年来，二维芯片的研发取得了一系列令人瞩目的成果。2023年3月，北京大学的科研团队成功制备出10纳米超短沟道弹道二维硒化铟晶体管。这款晶体管的性能不仅超过了Intel商用10纳米节点硅基鳍型晶体管，还降低了工作电压，为二维芯片的发展奠定了坚实的基础。2024年8月，中国科学院上海微系统所开发出单晶氧化铝栅介质材料，这种材料的出现，进一步推动了二维芯片的技术进步。2025年2月，北京大学再次发力，研制出高性能低功耗二维环栅逻辑器件，展现了我国在二维芯片领域的强大研发实力。2025年4月，复旦大学发布了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”。这款微处理器集成了5900个晶体管，在机器视觉、物联网、边缘计算、AI推理等前沿计算场景中具有巨大的应用潜力。
二维芯片之所以备受关注，得益于其显著的优势。首先，二维半导体材料可制造1纳米及以下节点的极薄晶体管，这使得二维芯片能够实现更小的器件尺寸，从而大幅提高芯片的集成度。在有限的空间内，集成更多的晶体管，意味着芯片能够拥有更强大的计算能力，为各种复杂的应用提供支持。其次，二维芯片的原子级超薄特性使其非常适合超低功耗应用场景。以无人机和机器人为例，这些设备通常需要在难以更换电池的环境中长时间工作，对功耗有着严格的要求。二维芯片的低功耗特性，能够满足这些设备的需求，延长其续航时间，提高工作效率。最后，二维芯片在工艺上具有简化的优势。在二维平面上，就能以较低的加工难度实现与硅基先进制程类似的器件性能。这在一定程度上缓解了对先进光刻机的依赖，大幅精简了工艺步骤，降低了制造成本。
在应用领域，二维芯片同样展现出了广阔的前景。在机器视觉领域，复旦大学团队利用晶圆级二维原子晶体硫化钼制备的大规模机器视觉增强芯片，实现了光传感、存储、处理和图像增强功能的一体化。这款芯片的出现，为机器视觉技术的发展注入了新的活力，有望推动相关产业的快速发展。在物联网、边缘计算和AI推理等前沿计算场景中，二维半导体芯片“无极”凭借其低功耗、高性能的特点，具有巨大的应用潜力。随着物联网的普及和AI技术的发展，对低功耗、高性能芯片的需求将越来越大，二维芯片正好能够满足这一市场需求。此外，二维材料的柔韧性使其非常适合制造柔性电子器件，如柔性显示等领域。未来，我们有望看到更多基于二维芯片的柔性电子产品走进我们的生活，为我们带来全新的体验。
尽管二维芯片在研发和应用方面取得了显著的进展，但要实现大规模商业化应用，仍面临着一些挑战。例如，二维半导体材料的制备工艺还不够成熟，成本较高，限制了其大规模生产。此外，二维芯片的集成技术和封装工艺也需要进一步完善。然而，随着科研人员的不断努力和技术的不断进步，相信这些问题将逐步得到解决。
二维芯片作为芯片技术发展的新方向，具有巨大的潜力和广阔的前景。它的出现，不仅有望突破传统硅基芯片的物理极限，还将为众多领域带来新的机遇和变革。从研发进展到实际应用，二维芯片正在逐渐改变我们的生活，引领我们走向一个全新的数字时代。在未来，二维芯片有望成为芯片市场的主流，推动科技进步和社会发展，让我们拭目以待！
