В стерильных лабораториях Национальной ключевой лаборатории интегрированных чипов и систем Университета Фудань совершена тихая революция. Под руководством профессора Чжоу Пэна и исследователя Бао Вэньчжуна команда учёных представила первый в мире 32-разрядный микропроцессор “ВУЦЗИ” (WUJI), созданный на основе двумерных полупроводниковых материалов. Это достижение, опубликованное 2 апреля в журнале Nature, не только бьёт мировые рекорды, но и открывает путь к преодолению фундаментальных ограничений закона Мура.
Двумерные материалы: почему MoS2 стал “окончательной формой” транзистора?
Спустя 11 лет после начала активных исследований двумерных полупроводников, таких как дисульфид молибдена (MoS2), учёные приблизились к решению главной проблемы микроэлектроники — физического предела миниатюризации кремниевых транзисторов. Толщина MoS2 составляет всего один атомный слой, что наделяет его уникальными свойствами: высокой подвижностью электронов, регулируемой шириной запрещённой зоны и устойчивостью к квантовым туннельным эффектам.
“Кремний на наноуровне перестаёт быть идеальным материалом, — объясняет Бао Вэньчжун. — Двумерные полупроводники — это не эволюция, а революция. Они позволяют создать транзисторы, которые будут работать там, где кремний физически невозможен”.
Однако путь от отдельного транзистора к функциональному микропроцессору оказался тернистым. До прорыва команды Фудань максимальная интеграция для MoS2 не превышала 115 транзисторов. “Представьте, что вы собрали десятки виртуозных скрипачей, но вместо симфонии получается какофония. Чтобы оркестр из миллионов транзисторов зазвучал гармонично, нужны не просто точные инструменты, но и новый подход к дирижированию”, — говорит Чжоу Пэн.
“ВУЦЗИ”: как 5900 транзисторов изменили правила игры
На прозрачном подносе в лаборатории лежат золотисто-желтые чипы, каждый из которых содержит 5900 транзисторов — в 51 раз больше предыдущего рекорда. Микропроцессор “ВУЦЗИ” (название означает “с нуля и без ограничений”) работает на архитектуре RISC-V с открытым исходным кодом, выполняя до 4,2 миллиарда операций в секунду и поддерживая обработку данных на уровне гигабайт.
Ключевым достижением стала разработка полного технологического цикла: от выращивания MoS2 на 12-дюймовых пластинах до интеграции в готовые схемы. “Большинство лабораторий мира фокусируются на отдельных этапах — материалах или проектировании. Мы же создали замкнутую цепь, где каждый процесс оптимизирован для двумерных структур”, — подчёркивает Бао Вэньчжун.
Особую роль сыграло химическое осаждение из паровой фазы (CVD), позволившее добиться беспрецедентной однородности MoS2 на промышленных пластинах. Для сравнения: традиционные методы “сборки” двумерных материалов напоминали ювелирную работу с хрупким шёлком, где малейшая вибрация или перепад температуры разрушали структуру.
ИИ, нанотехнологии и “скульптура из тофу”: преодоление технологических барьеров
Одним из главных вызовов стала ультратонкая природа MoS2. “Если кремний — это мрамор, который можно резать и шлифовать, то двумерный полупроводник похож на тофу, — объясняет Бао Вэньчжун. — Стандартные методы литографии его разрушали. Нам пришлось изобретать новые подходы, где каждый этап — от нанесения контактов до изоляции слоёв — требует атомарной точности”.
Решение пришло из синергии нанотехнологий и искусственного интеллекта. Команда разработала алгоритмы, которые анализировали тысячи параметров — от температуры реактора CVD до геометрии затворов — и предлагали оптимальные комбинации. “Раньше на подбор одного параметра уходили месяцы. С ИИ мы сократили это до дней”, — отмечает докторант Ао Минжуй, один из авторов исследования.
Результатом стала технология прецизионной обработки, сочетающая:
- Атомарное управление интерфейсами между слоями MoS2 и металлическими контактами.
- Совместимость 70% процессов с традиционными кремниевыми производственными линиями.
- 20 патентованных методов, включая уникальные системы контроля среды и литографии.
Почему “ВУЦЗИ” не заменит кремний, но изменит индустрию?
Несмотря на прорыв, учёные подчёркивают: двумерные чипы — не замена, а дополнение к кремнию. “Это как метро и электробусы в мегаполисе, — проводит аналогию Чжоу Пэн. — MoS2 идеален для нишевых применений: гибкой электроники, датчиков IoT, устройств с ультранизким энергопотреблением. Но для массовых вычислений кремний останется основой”.
Текущий прототип “ВУЦЗИ” изготовлен по микронным нормам, но его энергоэффективность уже сопоставима с наноразмерными кремниевыми аналогами. С переходом на литографию EUV (крайний ультрафиолет) этот показатель может улучшиться в 3-5 раз. “Наша цель — не гнаться за техпроцессом, а переосмыслить архитектуру. RISC-V даёт свободу для экспериментов, недоступную в проприетарных системах”, — добавляет Бао.
Дорожная карта индустриализации: от лаборатории до конвейера
Сегодня команда Университета Фудань сосредоточена на двух направлениях:
- Повышение плотности транзисторов до 10 000+ на чип.
- Интеграция с промышленными линиями через партнёрства с лидерами китайской полупроводниковой отрасли.
“Мы используем отечественное оборудование, — подчёркивает Бао Вэньчжун. — Это доказывает, что прорывные технологии возможны без зависимости от западных EUV-систем”.
Однако до массового производства пока далеко. Нынешняя версия “ВУЦЗИ” — доказательство концепции, а не коммерческий продукт. “Нам нужно увеличить частоту, снизить задержки и улучшить воспроизводимость, — признаёт Чжоу Пэн. — Но главное — мы открыли дверь. Теперь другие смогут строить здание”.
Будущее микроэлектроники: прогнозы на следующее десятилетие
По оценкам команды, двумерные чипы могут занять 15% рынка специализированных процессоров к 2030 году. Первые применения ожидаются в:
- Медицинских имплантатах, где гибкость и биосовместимость MoS2 критически важны.
- Квантовых сенсорах для прецизионных измерений.
- Нейроморфных вычислениях, имитирующих работу человеческого мозга.
“Это не конец кремниевой эры, — резюмирует Бао Вэньчжун. — Но мы вступаем в эпоху гетерогенной интеграции, где разные материалы объединяются в единые системы. И здесь у Китая есть шанс занять лидерские позиции”.
Заключение.
Прорыв Университета Фудань — не просто техническое достижение. Это сигнал о том, что посткремниевая микроэлектроника перестала быть теоретической концепцией. Используя двумерные полупроводники, открытую архитектуру RISC-V и искусственный интеллект, учёные создали шаблон для инноваций, который может изменить баланс сил в глобальной полупроводниковой гонке. И хотя до финиша ещё далеко, стартовый выстрел прозвучал именно в Шанхае.