问题:过去半个多世纪,集成电路产业在"晶体管更小、更多、更便宜"的驱动下快速发展。但当制造工艺进入3纳米及以下,器件尺寸接近原子尺度时,漏电、散热、功耗等问题随之而来。单纯依靠继续缩小尺寸已经面临成本急剧上升和物理边界的双重制约。如何在保证能效和可靠性的同时继续提升算力,成为全球产业的现实课题。 原因:硅基晶体管在极小尺寸下面临短沟道效应、栅控能力不足等难题,工艺窗口收窄,制造复杂度上升,良率爬坡和成本控制都面临压力。此外,大模型训练、智能终端、工业控制等应用场景对算力的需求持续增长,推动产业在"继续优化硅工艺"和"探索新技术"两条路上并行推进。在这种背景下,二维半导体因其沟道厚度可降至单层或数层原子、栅控能力强、漏电低、能效优等特点,被视为后摩尔时代的重要方向。 影响:二维半导体的价值不仅在于材料本身,更在于为更小工艺节点提供新的沟道材料选择,支撑更高集成度和更优能效。但业界普遍认为,真正的难点不在单个器件的性能展示,而在于能否实现从材料制备、器件一致性、工艺兼容到电路集成的全链条突破。没有工程化平台和制造验证,科研成果难以转化为可复制的产业能力。反过来说,一旦建立稳定的工艺流程和规模化制造基础,涉及的技术就可能在下一轮竞争中形成先发优势,带动整个产业生态的协同发展。 对策:针对"能否做成芯片、能否上产线"的核心问题,国内科研和产业团队正在探索工程化路径。复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室的周鹏、包文中团队经过多年攻关,研制出基于二维半导体的32位RISC-V架构微处理器"无极",集成了约5900个晶体管,验证了二维半导体从器件到处理器级集成的可行性。但团队也强调,样机只是起点,真正的产业门槛在于从"可用"推进到"可量产",这需要解决工艺稳定性、良率提升、成本控制和与现有CMOS体系的兼容等问题。 为了实现该目标,企业端也在加快建设工程化验证能力。由科研人员创办的原集微在完成早期融资后,于2025年启动了国内首条二维半导体工程化验证示范工艺线,并在上海浦东新区实现点亮。这条示范线是从实验室走向规模化制造的关键基础设施,通过引入核心设备、建立工艺流程、开展批量实验和良率爬坡,为更复杂的电路、百万门级乃至更大规模集成提供验证环境和数据反馈。业内人士指出,工程平台的价值在于把科研的"单点突破"转化为可复用的"体系能力",让材料、器件、工艺、设计和测试形成相互促进的循环。 前景:从国际看,台积电、三星、英特尔等企业已将二维半导体纳入先进工艺的技术储备,并持续发布原型器件和研究成果。随着全球竞争从"谁先做出来"转向"谁先做得稳、做得多、做得便宜",未来几年将是二维半导体从科研走向工程化的关键窗口期。对我国而言,抓住这个窗口的关键不仅是论文和样机,更在于以示范线为牵引,推动标准化工艺、设备适配、可靠性验证和产业链协同,形成可持续的创新循环。同时也要认识到,从原子级材料到大规模集成电路仍有很长的路要走,缺陷控制、均匀性、接触电阻、互连和封装兼容等问题都需要持续攻关,还要与系统架构和软件生态相适应,才能发挥新材料的潜力。
摩尔定律的逼近不是半导体产业的终点,而是新一轮技术革命的开始;二维半导体代表了后摩尔时代的新方向,从科研突破到产业化落地的距离往往决定了一个国家在新技术竞争中的最终位置。国内首条工程化示范线的点亮既是技术进步的标志,也是产业决心的体现。在这个关键窗口期,加快推进工程化建设,才能把科研优势转化为产业优势,在全球芯片竞争中掌握主动。