Wenn Silizium seine Grenzen erreicht, dringt dieses Start-up in die neue Spur der atomaren Chips vor.
In den sechziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts hat Gordon Moore, einer der Gründer von Intel, in einem Beobachtungsbericht festgestellt, dass die Anzahl der Transistoren auf einem Chip bei im Wesentlichen gleich bleibenden Kosten ungefähr alle 18 bis 24 Monate verdoppelt wird und die Rechenleistung sich dabei exponentiell verbessert.
Die rasante Entwicklung der Halbleiterindustrie in den letzten fünfzig Jahren hat diese "Mooresche Regel" ständig bestätigt. Die Menschen haben allgemein das Gefühl, dass ihre Mobiltelefone schneller und ihre Computer leistungsfähiger geworden sind und dass diese zudem immer günstiger werden.
Tatsächlich verliert die traditionelle Entwicklungslogik der "Mooreschen Regel" jedoch zunehmend an Gültigkeit, da die Chipkomponenten immer kleiner und dichter werden.
Insbesondere nachdem der Herstellungsprozess auf 3 Nanometer und darunter abgesenkt wurde, nähert sich das Siliziummaterial auf der Nanometerskala seiner physikalischen Grenze. Der Raum für die Verbesserung der Leistung durch strukturelle Innovationen allein wird immer enger, und die Kernlogik der Mooreschen Regel steht vor einer grundlegenden Herausforderung.
Vor diesem Hintergrund verfolgt die globale Halbleiterindustrie derzeit zwei Wege parallel. Der eine ist die "Fortsetzung der Mooreschen Regel", bei der durch strukturelle Innovationen versucht wird, die Grenzen des Siliziumsystems noch weiter zu erweitern. Der andere ist der Weg "jenseits der Mooreschen Regel", bei dem man durch neue Materialien, neue Architekturen und neue Rechenparadigmen nach der nächsten Generation von Technologien sucht. Zwei-dimensionale Halbleiter gelten dabei als einer der vielversprechendsten Ansätze.
Unter zwei-dimensionalen Halbleitern versteht man neue Halbleitermaterialien, deren Kanal nur eine oder wenige Atomlagen dick ist. Die atomare Dicke bietet eine stärkere Gate-Kontrollfähigkeit, einen geringeren Leckstrom und eine bessere Leistungsaufnahme. Es besteht die Hoffnung, dass diese Materialien die Leistung von Bauelementen weiter verbessern können, ohne dass dabei extrem komplexe Strukturen erforderlich sind.
Das entscheidende Problem besteht jedoch darin, ob man solche atomaren Halbleitermaterialien in Chips umsetzen kann.
Eine Forschergruppe aus der Fudan-Universität hat eine vorläufige Antwort auf diese Frage gegeben. Im April 2025 hat das Team von Zhou Peng und Bao Wenzhong aus dem Nationalen Schwerpunktlabor für integrierte Chips und Systeme der Fudan-Universität nach zehn Jahren wissenschaftlicher Forschung den weltweit ersten 32-Bit-RISC-V-Mikroprozessor "WUJI" auf Basis von zwei-dimensionalen Halbleitermaterialien entwickelt. Dieses Ergebnis hat die technischen Engpässe bei der elektronischen Anwendung von zwei-dimensionalen Halbleitern überwunden und erstmals eine Integration von 5900 Transistoren auf Basis von zwei-dimensionalen Halbleitermaterialien erreicht.
Nach Ansicht des Gründerteams ist dies jedoch noch lange kein Ende.
"Der 'WUJI'-Chip repräsentiert lediglich die Obergrenze, die mit akademischen Forschungsansätzen erreicht werden kann. Unser nächstes Ziel ist es, zwei-dimensionale Halbleitermaterialien mit einem ingenieurtechnischen Ansatz zu entwickeln und ihre eigentliche Industrialisierung voranzutreiben", sagte Bao Wenzhong, Forscher an der Fakultät für Mikroelektronik der Fudan-Universität und Gründer der ehemaligen Jiji Microelectronics (Shanghai) Co., Ltd., in einem Interview. "Der 'WUJI'-Chip ist eher ein Ausgangspunkt für die Validierung der technischen Machbarkeit. Die eigentliche Herausforderung besteht darin, zwei-dimensionale Halbleiter von Forschungsmodellen mit einigen tausend Transistoren zu CMOS-Chips mit einer Komplexität von Millionen von Gattern oder höher zu entwickeln und die Industriestandards in Bezug auf Ausbeute, Kosten und Prozessstabilität zu erreichen."
Im Juni 2025 hat Jiji Microelectronics nach Abschluss der Seed-Runde und der Pre-Angel-Runde die Errichtung der ersten zweidimensionalen Halbleiter-Engineering-Validierungs-Prozesslinie in China begonnen. Im Oktober desselben Jahres wurden die ersten Kernausrüstungen installiert, und im Dezember erhielt das Unternehmen eine Angel-Runde von fast 100 Millionen Yuan. Derzeit ist die Demonstrationslinie in der neuen Stadt Chuansha im Pudong-New Area von Shanghai offiziell in Betrieb genommen worden. Als die erste zweidimensionale Halbleiter-Integrationsschaltkreis-Engineering-Demonstrationslinie in China wird sie den "entscheidenden Sprung" der chinesischen zweidimensionalen Halbleitertechnologie von der Laborforschung zur massenhaften industriellen Produktion bezeugen.
In den letzten Jahren haben globale Halbleiterriesen wie TSMC, Samsung und Intel zwei-dimensionale Halbleiter als das wahrscheinlichste Kristallkanalmaterial nach dem 1-Nanometer-Prozess identifiziert und jeweils eigene Prototypen vorgestellt. "Sobald dieser Bereich in den Wettbewerb der Industrie eintritt, wird die nächste Zeit ein entscheidendes Fenster sein. Wenn China nur auf der wissenschaftlichen Ebene auf die Technologie achtet und nicht beeilt, Ingenieurplattformen aufzubauen und die Industrialisierung voranzutreiben, wird der zuvor erarbeitete wissenschaftliche Vorsprung schnell verloren gehen, und die Lücke wird durch die ingenieurtechnischen Ressourcen der Halbleiterriesen schnell erweitert. Deshalb können wir Forscher nicht länger in unserer Komfortzone bleiben, sondern müssen uns vorstellen und die Verantwortung für die Umsetzung der Technologie in der Industrie übernehmen und die 'letzte Meile' von der Laborarbeit zur Produktionslinie bewältigen." sagte Bao Wenzhong.
In diesem Interview mit Bao Wenzhong versuchen wir, die grundlegenden Fragen zu beantworten: Was macht zwei-dimensionale Halbleiter in den vielen Technologien der "Post-Moore-Zeit" unverzichtbar? Welche technischen Engpässe sind am schwierigsten zu überwinden, wenn man von der Laborarbeit zur industriellen Anwendung übergeht? Was sind die Chancen und Risiken für chinesische Teams in der Phase des beschleunigten internationalen Wettbewerbs? Und was bedeutet diese gerade erst gegründete Engineering-Demonstrationslinie wirklich?
Im Folgenden finden Sie das Transkript des Interviews, das von Yingke editiert wurde:
Yingke: Gibt es in der "Post-Moore-Zeit" andere Technologierouten? Warum halten Sie zwei-dimensionale Halbleiter für die wichtigste? Worin liegt ihre Unverzichtbarkeit?
Bao Wenzhong: Der Kern der Fortsetzung der Mooreschen Regel besteht darin, die Transistoren kleiner und leistungsfähiger zu machen. Dies ist auch der Weg, den Waferfabriken wie Samsung, TSMC, Intel und SMIC beschreiten. Einerseits versucht man, die Transistoren in der Ebene immer weiter zu verkleinern, was bereits in den Bereich der atomaren Fertigung gehört und bei dem die Verwendung von EUV-Lithographiegeräten von entscheidender Bedeutung ist. Andererseits entwickelt man die Strukturen in die dritte Dimension, wie z. B. die mehrlagigen Gate-All-Around-Transistoren (GAA) und die CFET-Struktur, bei der NMOS-GAA und PMOS-GAA vertikal übereinander gestapelt werden. Diese Struktur gilt auch als eine der endgültigen Formen für die Verkleinerung der Logikprozesse auf unter 1 Nanometer.
Das Problem ist jedoch, dass die Kosteneffizienz dieser Fortsetzung der Mooreschen Regel rapide abnimmt. Denn die Transistorstrukturen und -prozesse werden immer komplexer, aber die Leistungszunahme bleibt begrenzt, und die Ausbeute ist schwieriger zu kontrollieren. Die Grenznutzen von Investition und Produktion nähert sich Null. Der Vorteil von zwei-dimensionalen Halbleitern besteht darin, dass keine komplexen Nanobearbeitungsprozesse erforderlich sind. Sie sind von Natur aus atomare Kanalmaterialien, die eine präzise Steuerung der Elektronen in der gesamten Ebene des Gate-Elektrodenbereichs ermöglichen und so eine widerstandsarme, zweidimensionale "Autobahn" für die kontrollierte Bewegung der Elektronen bieten.
Yingke: Sie forschen seit 2006 an zwei-dimensionalen Transistoren. Zuvor galten zwei-dimensionale Halbleiter eher als "wissenschaftliche Spitzenforschung" als als "Industrierichtung". Ab wann waren Sie sich wirklich sicher, dass zwei-dimensionale Halbleiter in der Chiptechnologie eingesetzt werden können?
Bao Wenzhong: Aus der Perspektive der "ersten Prinzipien" gesehen sollte die "Endform" eines Transistors, der durch die Steuerung des Stroms zwischen "0" und "1" umschaltet, ein Kanalmaterial mit atomarer Dicke sein, um die beste Geschwindigkeit und Leistungsaufnahme zu erreichen.
Das Wichtige war jedoch, auf der Nanometerskala zu zeigen, dass zwei-dimensionale Halbleiter in allen Leistungsaspekten besser als Siliziummaterialien sind. Diese Einigkeit hat sich erst in den letzten Jahren durch die gemeinsamen Bemühungen von Wissenschaftlern und der Industrie herausgebildet. Vor über zehn Jahren, als ich noch im Postdoc-Programm war, habe ich hauptsächlich an relativ großen zwei-dimensionalen Transistoren geforscht. Ich war mir jedoch immer sicher, dass die Verkleinerung der Größe kein unlösbares Problem sein würde, wenn die Prozesse und die Ausrüstung in Ordnung wären. Nach meiner Rückkehr an die Fudan-Universität im Jahr 2015 habe ich systematisch die Ingenieurentwicklung vorangetrieben. Zunächst habe ich diskrete Bauelemente auf Basis von Wafer-großen zwei-dimensionalen Materialien hergestellt. Anschließend habe ich die Vorder- und Rückprozesse für die Herstellung von integrierten Schaltungen entwickelt und versucht, diese so weit wie möglich mit den Siliziumprozessen und -ausrüstungen kompatibel zu machen. In den letzten Jahren habe ich zunehmend festgestellt, dass die Bedingungen für die industrielle Umsetzung immer besser werden.
Yingke: Der "WUJI" ist der weltweit erste 32-Bit-RISC-V-Prozessor auf Basis von zwei-dimensionalen Halbleitermaterialien. Was ist das nächste Ziel des Teams nach der Veröffentlichung dieses Ergebnisses?
Bao Wenzhong: Der "WUJI"-Chip enthält derzeit über 5900 Transistoren, aber die Kanalgröße liegt immer noch im Mikrometerbereich. Im Wesentlichen handelt es sich um eine logische Schaltung aus NMOS-Transistoren und nicht um einen vollständigen CMOS-Chip. Wir gestehen daher gerne ein, dass die Gesamtleistung des "WUJI"-Chips weit hinter den leistungsfähigsten Siliziumchips zurückbleibt und etwa auf dem Niveau des Intel 8080-Prozessors aus dem vergangenen Jahrhundert liegt. Für die Industrie ist der "WUJI"-Chip eher ein wissenschaftliches Ergebnis, das beweist, dass zwei-dimensionale Halbleiter für systemnahe Logikschaltungen eingesetzt werden können. Im Vergleich zu den etablierten Ökosystemen und Produkten auf Siliziumbasis befindet sich die Industrialisierung noch in den Anfängen.
Es ist jedoch unfair, neue Halbleitermaterialien in der Anfangsphase direkt mit etablierten Siliziummaterialien zu vergleichen. Nachdem ich das Unternehmen gegründet habe, habe ich mich zunächst gefragt, wie man die Industrie für zwei-dimensionale Halbleiter gewinnen kann. Zunächst muss man von NMOS zu CMOS übergehen und gleichzeitig die Transistorgröße unter die 100-Nanometer-Grenze bringen, indem man fortschrittliche Lithographieverfahren einsetzt. Erst wenn die Integration, Leistung, Ausbeute und Zuverlässigkeit von zwei-dimensionalen Halbleiterchips ein akzeptables Niveau für die Industrie erreichen, wird die Industrie sich wirklich für diese Technologie interessieren und daran teilnehmen.
Yingke: Was bedeutet die neu errichtete Engineering-Demonstrationslinie?
Bao Wenzhong: Die Demonstrationslinie entspricht einem Siliziumprozess von etwa 180 Nanometern. Vom heutigen Standpunkt aus gesehen ist dies ein relativ "alter" Prozess, der ungefähr auf das Jahr 2000 zurückgeht. Für ein junges Unternehmen ist dies jedoch eine relativ kontrollierbare Wahl in Bezug auf Investition und Risiko.
Unser Ziel ist es, zunächst den gesamten CMOS-Prozess für zwei-dimensionale Halbleiter auf der 180-Nanometer-Ebene des Siliziumprozesses zu validieren. Aufbauend auf den bisherigen einigen tausend Transistoren möchten wir eine Integrationsgröße im Millionen-Gate-Bereich erreichen und zumindest einfache Mikrocontroller oder Megabit-Speicherbausteine herstellen können. Wenn wir auf dieser Ebene stabile Fertigungsläufe und eine akzeptable Ausbeute erreichen können, wäre dies ein Durchbruch, der die Aufmerksamkeit der Industrie auf sich ziehen würde.
Yingke: Weltweit setzen die USA, Europa und Unternehmen wie TSMC auf zwei-dimensionale Halbleiter. Wie beurteilen Sie die Chancen für chinesische Teams?
Bao Wenzhong: Wir setzen nicht einfach auf zwei-dimensionale Halbleiter, weil andere es tun. Dies wäre ein nachfolgender Ansatz. Wissenschaftlich gesehen hat China in diesem Bereich sehr früh begonnen und hat eine solide Grundlage. Die chinesische Wissenschaft hat sich sehr tief in die Material-, physikalischen und chemischen Eigenschaften von zwei-dimensionalen Halbleitern eingearbeitet und ist in einigen Bereichen sogar führend. Die eigentliche Herausforderung liegt derzeit in der industriellen Umsetzung. Die Herstellung von integrierten Schaltungen aus neuen Halbleitermaterialien ist ein komplexes Systemprojekt, das nicht mehr von Hochschulen und Forschungseinrichtungen allein bewältigt werden kann.
Deshalb steht die Welt auf dem gleichen Startfeld in diesem neuen Bereich der zwei-dimensionalen Halbleiter. Die globalen Halbleiterriesen konzentrieren sich derzeit immer noch auf die Siliziumtechnologie. Sobald sie jedoch auf zwei-dimensionale Halbleiter umsteigen, werden sie aufgrund ihrer Ressourcen schnell vorankommen. Die nächsten Jahre werden daher ein entscheidendes Fenster sein. Wenn China nur auf der wissenschaftlichen Ebene auf die Technologie achtet und nicht beeilt, die Industrialisierung und die Aufbau von Engineering-Plattformen voranzutreiben, kann die Lücke schnell erweitert werden. Dies ist der Grund, warum wir uns entschieden haben, aus dem Labor auszusteigen und als Pionier in diesem Bereich tätig zu werden.
Für das junge Team von Jiji Microelectronics ist dies eine Entdeckungsreise in unchartete Gebiete und ein Abenteuer voller Ungewissheit. Wenn wir jedoch ruhig und zielstrebig voranschreiten, sind wir sicher, dass wir uns in der Geschichte der Technologie einen Platz sichern können.
Yingke: Ihr Team hat bei der Forschung und Entwicklung eine AI-gesteuerte integrierte Prozessoptimierung eingeführt. Welches Problem löst diese Methode konkret?
Bao Wenzhong: Ja, die AI-gestützte Optimierung ist bereits in fortschrittlichen Halbleiterprozessen weltweit weit verbreitet. Mit der ständigen Verkleinerung der Transistoren wird es immer schwieriger, dass die Milliarden von Transistoren auf einem Chip die gleichen elektrischen Eigenschaften haben. Dies ist auch der größte Herausforderung in der Herstellung von fortschrittlichen Chips.