中國科研團隊在有機分子計算芯片領(lǐng)域取得關(guān)鍵突破
采編：陳榮 （2025-5-10）
在全球半導體產(chǎn)業(yè)遭遇技術(shù)封鎖與“摩爾定律”逼近極限的雙重挑戰(zhàn)下，我國科研團隊在新型計算芯片領(lǐng)域開辟出一條顛覆性技術(shù)路徑。華東理工大學陳彧教授與上海交通大學劉鋼教授聯(lián)合團隊成功研制出目前集成密度最高、功耗最低的有機/高分子憶阻器芯片，為突破高端芯片制造瓶頸、破解產(chǎn)業(yè)供應鏈難題提供了全新技術(shù)路徑，也為后摩爾時代的算力革命奠定了關(guān)鍵材料與技術(shù)基礎。
打破傳統(tǒng)架構(gòu)：從“硅基局限”到“碳基仿生”的算力突圍
當前，全球信息技術(shù)發(fā)展正面臨兩大瓶頸：一是以硅晶體管為核心的集成電路工藝進入亞10納米階段后，尺寸微縮帶來的量子隧穿效應導致功耗激增，業(yè)界預測20年后全球半數(shù)發(fā)電量將被數(shù)據(jù)存儲消耗；二是“感存算分離”的馮?諾依曼架構(gòu)引發(fā)數(shù)據(jù)通訊瓶頸，超級計算機如AlphaGo需30立方米空間和2萬瓦功耗，能效比人腦低數(shù)百萬倍。
受自然界碳基智能啟發(fā)，陳彧、劉鋼團隊將目光投向有機電子領(lǐng)域。不同于硅芯片依賴二進制開關(guān)，有機分子器件可通過導電能力的動態(tài)變化模擬生物突觸的“記憶-處理-傳輸”一體化功能。團隊歷經(jīng)十年攻關(guān)，設計合成了一系列具有優(yōu)良憶阻性能的有機/高分子功能材料，制備了國際上微縮尺寸最小、功耗最低、集成密度最高的分子計算芯片。作為一個典型例子，具有二維剛性結(jié)構(gòu)的四苯基卟啉四磺酸（TPPS）利用其所攜帶的具有自然界最大荷質(zhì)比的陽離子，即質(zhì)子，作為電導調(diào)控的物理載體，在10微米至100納米尺寸憶阻器件中實現(xiàn)了飛瓦級（10?1?瓦）功耗的非易失性電導調(diào)控，其穩(wěn)定性與能效比均達國際頂尖水平。
這一突破的核心意義在于：通過模擬人腦神經(jīng)元的突觸可塑性，芯片可在單個器件內(nèi)完成信息存儲與計算的原位融合，徹底打破傳統(tǒng)芯片“存儲-計算”分離的耗能架構(gòu)。實驗顯示，該芯片執(zhí)行Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡運算時，能效比同尺寸硅基芯片有極大提升，為邊緣計算、物聯(lián)網(wǎng)等低功耗場景提供了革命性解決方案。
核心技術(shù)攻堅：從材料創(chuàng)新到工藝集成的全鏈條突破
傳統(tǒng)有機半導體面臨“低功耗調(diào)制”與“非易失性存儲”的矛盾——降低功耗會導致存儲穩(wěn)定性下降。實現(xiàn)電導狀態(tài)的可讀寫精準調(diào)控需要重點解決三個核心技術(shù)挑戰(zhàn)：器件電導的可逆-非易失調(diào)控矛盾，硬件集成可實現(xiàn)性難題和長期穩(wěn)定性短板。陳彧、劉鋼團隊利用TPPS的剛性平面結(jié)構(gòu)提升分子長程有序性，通過“質(zhì)子遷移-釘扎慣性-自配位摻雜”三重效應，在材料帶隙中引入穩(wěn)定中間能級，使器件電導實現(xiàn)了64個連續(xù)態(tài)的有效和非易失性調(diào)制，電導的調(diào)制和讀取功耗接近半導體器件的零功耗工作極限。
有機材料與硅晶圓的加工適配性是產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵障礙。團隊研發(fā)“幾何圖形-曝光劑量協(xié)同校正”技術(shù)，在TPPS、二維共軛聚合物PBDTT-BQTPA等薄膜上實現(xiàn)了亞百納米線寬金屬電極的精準制造。研制了極限尺寸50納米、陣列規(guī)模1 Kb、集成密度超過34
Gb/inch2、加工良品率超過90%的分子計算芯片。 首次實現(xiàn)有機分子器件與硅芯片的混合信號集成，為“硅基-碳基異構(gòu)融合”開辟了路徑。
基于該芯片構(gòu)建的混合信號系統(tǒng)，成功完成手寫數(shù)字識別、路徑規(guī)劃等典型AI任務，識別準確高，接近商用硅基芯片水平，但功耗僅為后者的1/500。更重要的是，器件展現(xiàn)出優(yōu)異的“尖峰速率和時序依賴性塑性”仿生響應，可模擬生物神經(jīng)元對時序信號的學習記憶和決策能力，為智能感知、仿生存儲和類腦計算芯片奠定了硬件基礎。
應用前景：開啟“柔性智能”與“生機融合”新時代
這項技術(shù)的價值不僅在于突破算力瓶頸，更在于開辟了全新的產(chǎn)業(yè)賽道。在14納米以下制程設備斷供的背景下，有機分子芯片無需極紫外（EUV）光刻等高門檻技術(shù)，可通過電子束曝光與溶液加工實現(xiàn)亞百納米制造，為我國在高端芯片領(lǐng)域“換道超車”提供了選項。國家“十四五”規(guī)劃明確提出“發(fā)展類腦計算、量子計算等新型計算模式”，該成果正是對這一戰(zhàn)略的有力響應。
有機材料的生物兼容性與機械柔韌性，使其成為植入式醫(yī)療設備的理想載體。團隊成果有望在未來實現(xiàn)器件與大鼠神經(jīng)元的信號交互，開發(fā)“跨介質(zhì)生機融合接口”，幫助肢體殘缺者通過腦機接口恢復運動功能，或在極端環(huán)境中部署可自愈的柔性機器人。工信部《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》等政策對柔性電子的明確支持，更為該技術(shù)落地提供了產(chǎn)業(yè)土壤。
傳統(tǒng)芯片產(chǎn)業(yè)鏈被設計、制造、封測等環(huán)節(jié)割裂，而有機分子芯片可通過材料改性直接賦予器件計算功能，推動產(chǎn)業(yè)向“材料即器件，器件即系統(tǒng)”的一體化模式演進。這項成果的誕生，是我國“基礎研究-技術(shù)攻關(guān)-應用轉(zhuǎn)化”全鏈條創(chuàng)新的典型縮影——基礎研究：依托國家自然科學基金重點項目、國際合作項目等支持，團隊在《Nature Communications》、《Advanced Materials》等期刊發(fā)表90余篇論文，系統(tǒng)解決了分子材料結(jié)構(gòu)不均性導致的器件良率問題，相關(guān)成果入選《上?？萍寄觇b》；技術(shù)轉(zhuǎn)化：團隊正開展光電載荷工程化驗證，推動芯片在航天遙感、軍事通信等領(lǐng)域的應用；學科交叉：融合化學、材料、電子工程、神經(jīng)生物學等多學科，團隊開發(fā)的二維共軛高分子PBDTT-BQTPA等材料體系受到國內(nèi)外同行的高度關(guān)注和評價：“為開發(fā)超越傳統(tǒng)馮諾依曼架構(gòu)的高性能智能計算機提供了新見解”、“解決了因分子材料結(jié)構(gòu)不均勻性引起的納米器件制造良率與穩(wěn)定性的最大問題,可以用于高密度邏輯和信息存儲模塊”、“在分子層次完成信息檢測、轉(zhuǎn)換、傳輸、存儲與處理等功能，為應對“摩爾困境”提供了新的發(fā)展路徑”。
在憶阻器芯片賽道，國際巨頭如惠普、三星等曾長期主導無機材料研究，但有機/高分子方向的突破則由中國團隊引領(lǐng)。陳彧、劉鋼團隊的成果創(chuàng)下多項“國際第一”： 首個國際上微縮尺寸最小、功耗最低、集成密度最高的分子計算芯片。與國內(nèi)外同類有機高分子芯片相比，芯片尺寸微縮 70 倍，集成規(guī)模提高 300 倍，集成密度高達 34 Gb/inch2。集成良率高達92.48%，器件響應線性度和均一性均達到了99%左右；首個與硅芯片集成的混合信號分子神經(jīng)形態(tài)硬件系統(tǒng)；將一維共軛拓展為二維共軛，優(yōu)化高分子薄膜內(nèi)部晶界，大幅度提高了有機半導體器件的微縮集成可實現(xiàn)性。值得關(guān)注的是，我國在政策層面已全面布局新型計算技術(shù)。《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確將“類腦計算”列為重點任務，《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出“推動存算一體、神經(jīng)形態(tài)計算等技術(shù)研發(fā)”。團隊的突破，正是對這些戰(zhàn)略的落地實踐，為我國芯片領(lǐng)域從“追趕者”向“創(chuàng)新引領(lǐng)者”的轉(zhuǎn)變提供可靠支撐。
從硅基到碳基，從二進制到仿生計算，陳彧、劉鋼團隊的探索不僅是一項技術(shù)突破，更是一次創(chuàng)新范式的突圍。當傳統(tǒng)集成電路遭遇物理極限與地緣政治的雙重壁壘，中國科研人員在分子尺度開辟出算力革命的新賽道。在核心技術(shù)攻關(guān)中，聚焦“從0到1”的原始創(chuàng)新，充分發(fā)揮學科交叉與產(chǎn)學研協(xié)同優(yōu)勢，我們完全能夠在“卡脖子”領(lǐng)域鑿開新通道，為我國信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的自主可控筑牢根基。