用原子级薄半导体制造的 32 位处理器

它速度慢且效率低，但这种半导体只有单个分子厚。

John Timmer – 2025 年 4 月 2 日下午 4:46 | 59

Credit: Ao, et. al.

周三，来自中国的一组研究人员在《Nature》杂志上发表了一篇论文，描述了一种使用二硫化钼而非硅作为半导体材料构建的 32 位 RISC-V 处理器。对于那些不熟悉化学的人来说，二硫化钼有点像石墨烯：单个 MoS2 分子是一张薄片，由于其化学键之间的角度，它仅比单个原子略厚。但与石墨烯不同，二硫化钼是一种半导体。

该材料已用于各种演示电子产品中，包括闪存和图像传感器。但我们最近已经弄清楚如何在蓝宝石衬底上生成晶圆级 MoS2 薄片，该团队利用这一点构建了处理器，他们称之为 RV32-WUJI。它一次只能加一个位，并且限制在千赫兹时钟速度，但由于近 6,000 个单独的晶体管，它能够执行完整的 RISC-V 32 位指令集。

扁平化

我们已经确定了范围广泛的所谓 2D 材料。这些材料都在或多或少的一个平面内形成重复的化学键。对于仅由碳组成的石墨烯来说，这些键都在同一平面内，这意味着该分子与碳原子一样厚。二硫化钼略有不同，因为化学键的角度不在平面内，从而形成锯齿形图案。这意味着该薄片略厚于其组成原子。

二硫化钼由交错的六边形结构中的硫（黄色球体）和钼（蓝色球体）组成。 Credit: Ben Mills/Wikipedia

在任何情况下，这些材料的电子特性严格来说都是分子本身轨道配置的产物——没有可以从中产生体积属性的块状材料。虽然石墨烯是一种优良的导体，但 MoS2 是一种半导体。

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一些使用 MoS2 构建的演示设备使用石墨烯作为导电材料。但这项新工作背后的团队专注于制造与硅制造技术兼容的实验硬件。这将简化生产，并可以实现硅支持芯片的集成。

尽管如此，MoS2 仍然存在一些明显的挑战。在普通硅中，晶体管的阈值电压可以通过掺杂硅来调节——注入改变半导体行为的杂质。但是没有办法在单个分子中注入杂质。RV32-WUJI 的所有半导体都是 n 型的，并且它们的性能无法调整。因此，这里的研究人员使用了两种不同的金属（铝和金）进行布线，并通过布线的选择以及布线嵌入的材料来调整每个晶体管的阈值电压。

制造芯片

在芯片层面，研究人员尝试构建许多单独的设备，然后使用机器学习来识别布线和材料的最佳组合，以确保每个单独的晶体管都位于所需的性能范围内。

在晶体管层面，该设备使用所谓的耗尽模式反相器。为了构建功能电路，研究人员构建并测试了一整套 25 个逻辑门并对其进行了测试。其中 18 个功能正常，研究人员使用这些逻辑门构建了芯片。他们使用芯片中最长的路径来确定他们必须考虑的延迟，这设定了千赫兹范围内的时钟速度的上限。最终制造芯片时的总体良率超过 99.9%，芯片级良率为 99.8%。

也就是说，一些电路被证明具有相当大的挑战性。例如，8 位寄存器的良率仅为 71%，而 64 位寄存器的良率仅降至 7%（需要 1,152 个晶体管）。

由此产生的处理器包含 5,900 个单独的晶体管，并且能够实现 RISC-V 指令集的完整 32 位版本，这必然意味着它包括像 RISC-V 指令解码器这样的复杂电路。与此同时，一些方面被有意保持简单；虽然它可以执行两个 32 位数字的加法，但它通过一次操作一位来执行此操作，这意味着执行该操作需要 32 个时钟周期。这还需要板载缓冲区来存储中间结果。

尽管如此，它确实有效，作者认为它可能是迄今为止实施的最复杂的“超越硅”硬件之一。也就是说，他们并不期望这项技术会取代硅；相反，他们认为它可能会满足一些利基需求，例如简单传感器的超低功耗处理。但是，如果该技术继续发展，其潜在用途的范围可能会超出此范围。

Nature, 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-08759-9 (About DOIs).

John Timmer Senior Science Editor

John 是 Ars Technica 的科学编辑。他拥有哥伦比亚大学的生物化学学士学位和加州大学伯克利分校的分子和细胞生物学博士学位。当他与键盘分离时，他倾向于寻找自行车，或风景优美的地方，与他的登山靴交流。