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全球首款二维材料芯片预计2029年量产
2025-07-12 10:55:01 来源：解放日报
原集微科技计划三年内重点突破材料与硅基工艺兼容等核心难题，建成国际领先的二维半导体示范商业化产线，依托自主技术实现1—2纳米级芯片性能，率先实现二维半导体技术的商业化落地
记者 查睿
国内首条二维半导体工程化验证示范工艺线6月中旬在上海启动，2029年有望实现全球首款二维材料芯片的量产。这意味着，上海在全球二维半导体产业竞争中领先一个身位。
二维半导体材料作为上海未来产业的重点方向之一，不仅实现了“从0到1”的关键技术突破，还成功推进至“从1到10”的产学研转化阶段，当下正致力于打通“从10到100”的产品商业化道路，有望在芯片竞争中开辟出全新赛道。
“上海方案”有望换道超车
早在2022年，上海在国内率先发布未来产业行动方案，明确提出要积极推动二维半导体材料等未来非硅基半导体材料技术研究和布局。
二维半导体材料为什么被置于如此重要的战略地位？答案便是，延续半个多世纪的“摩尔定律”，目前已逼近物理极限。
“晶体管是芯片的最基本元件，它就像是受水龙头控制的‘水管’，‘水流’就是电子。当‘水管’越做越小，‘水管’内壁很难加工光滑，‘水流’不畅、关不紧等问题就随之而来。”复旦大学微电子学院研究员、原集微科技创始人包文中这样解释。
这就是今天硅基芯片面临的困境。目前主流半导体使用硅材料，随着硅基晶体管尺寸的不断缩小，制造工艺的难度呈指数级上升。包文中表示，这意味着硅基“摩尔定律”——集成电路中的晶体管数量每隔18个月增加一倍的发展状态——将走到尽头。
复旦大学光电研究院院长褚君浩表示，当制程节点推进至2纳米以下时，硅基芯片先进制程不仅工艺复杂度呈指数级上升，难以控制漏电，而且成本飙升。传统硅基芯片的微缩之路愈发艰难，世界需要一种新的材料来制造更小、更强的“水管”。
，上海早早便意识到，硅基芯片的局限性，反而是二维新材料的机遇。深耕未来材料的“上海方案”，或许能为我国半导体产业实现换道超车提供全新机遇。
“破局‘摩尔定律’，二维材料几乎是完美答案。其‘原子级厚度’与独特电子输运特性，可有效解决这一问题，这是用二维材料制作芯片的优势所在。”褚君浩解释道。
“二维材料应用在半导体领域，能实现电子的精准调控，有效抑制漏电，还为电子的流动提供了一条低阻力的二维‘高速公路’。这种超薄结构使得制造1纳米及以下节点的晶体管变得更为简单。”原集微科技工艺工程师告诉记者，全球半导体业内已经公认二维半导体能够为1纳米及以下节点提供新范式，在相同的制程条件下，可使芯片性能实现大幅提升。
原型产品性能国际最优
二维新材料所具备的潜质，也吸引了全球半导体产业的关注。前不久，美国将其列入国家微电子战略关键领域，欧盟也宣布加大科研投入，台积电等行业巨头也在抓紧布局。
据预测，到2035年全球二维半导体市场规模将达300亿—500亿美元，占据先进半导体市场的10%—15%。 下包文中表示，二维半导体不仅是突破“摩尔定律”的关键，更在云端高性能计算、边缘端低功耗算力、先进传感器、可穿戴器件等广泛市场中有着撒手锏级应用。
这也意味着，谁先掌握二维半导体的产业化突破，谁将率先抢占全球百亿美元以上的市场。
机会总是垂青有准备者。上海在这场全球竞争中，不仅率先实现了二维半导体“从0到1”的技术突破，还成功研发出“从1到10”的原型产品。
通过10年的工艺积累，包文中团队攻克了二维集成电路制造的完整制程，建立了二维半导体工艺库，还自主研发出专用设备，并搭建起二维半导体的生态体系，具备从晶圆生长、集成工艺、器件建模、电路设计，到封装测试的完整能力。
今年4月，包文中和复旦大学周鹏教授组成的联合攻关团队，在《自然》期刊发表了重磅成果，宣布成功研制出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”。“无极”成功集成了5900个晶体管，首次突破二维半导体电子学工程化瓶颈，在全球创下二维逻辑芯片最大规模验证纪录，相关性能达到国际同期最优水平，而待机功耗仅为传统硅基芯片的五分之一。
团队成员告诉记者，二维半导体芯片的微缩度和集成度还有巨大提升空间，未来产业化后将快速缩小与硅基芯片的差距。
工艺平台面向全球开放
一项前沿技术要从实验室走向市场，离不开产学研的深度融合和产业生态的精心培育。
“目前，我们在浦东新区川沙新镇建设一条工程性示范性产线，实现从实验室到工业化‘从10到100’的跨越。”为加速技术转化，包文中团队于2025年成立原集微科技，与复旦大学完成了上千万元的技术转化交易，组建了20余人的青年工程师团队和有10多位顶尖科学家的顾问团。
“我们的目标是打造二维半导体界的‘台积电’。”原集微科技计划三年内重点突破材料与硅基工艺兼容等核心难题，建成国际领先的二维半导体示范商业化产线，依托自主技术实现1—2纳米级芯片性能，率先实现二维半导体技术的商业化落地。到2029年，有望实现全球首款二维材料芯片的量产，用于低功耗边缘算力等场景。
“二维半导体作为集成电路领域的未来产业发展方向，上海将通过产业基金引导、税收优惠、土地保障等政策，吸引产业链上下游的优质企业汇聚于此，共同塑造一个专业化的二维半导体产业集聚高地，形成产业型协同创新的产业生态。”上海市科委相关负责人表示。
“未来通线后，我们也将逐步开放示范性工艺线的器件模型和工艺库，让全国乃至全世界有意向研发二维半导体或者二维硅基异质集成芯片的学术团队和产业公司，都可以委托上海的这一工艺平台来制造。”包文中表示。
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