中國科研團(tuán)隊(duì)在有機(jī)分子計(jì)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(dǎo)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(tuán)隊(duì)在新型計(jì)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(xué)陳彧教授與上海交通大學(xué)劉鋼教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功研制出目前集成密度最高、功耗最低的有機(jī)/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(yīng)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(chǔ)。
打破傳統(tǒng)架構(gòu)：從“硅基局限”到“碳基仿生”的算力突圍
當(dāng)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(jìn)入亞10納米階段后，尺寸微縮帶來的量子隧穿效應(yīng)導(dǎo)致功耗激增，業(yè)界預(yù)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(jì)算機(jī)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(tuán)隊(duì)將目光投向有機(jī)電子領(lǐng)域。不同于硅芯片依賴二進(jìn)制開關(guān)，有機(jī)分子器件可通過導(dǎo)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(tuán)隊(duì)歷經(jīng)十年攻關(guān)，設(shè)計(jì)合成了一系列具有優(yōu)良憶阻性能的有機(jī)/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(jì)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(dǎo)調(diào)控的物理載體，在10微米至100納米尺寸憶阻器件中實(shí)現(xiàn)了飛瓦級（10?1?瓦）功耗的非易失性電導(dǎo)調(diào)控，其穩(wěn)定性與能效比均達(dá)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(jì)算的原位融合，徹底打破傳統(tǒng)芯片“存儲-計(jì)算”分離的耗能架構(gòu)。實(shí)驗(yàn)顯示，該芯片執(zhí)行Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算時，能效比同尺寸硅基芯片有極大提升，為邊緣計(jì)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(jiān)：從材料創(chuàng)新到工藝集成的全鏈條突破
傳統(tǒng)有機(jī)半導(dǎo)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(dǎo)致存儲穩(wěn)定性下降。實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)狀態(tài)的可讀寫精準(zhǔn)調(diào)控需要重點(diǎn)解決三個核心技術(shù)挑戰(zhàn)：器件電導(dǎo)的可逆-非易失調(diào)控矛盾，硬件集成可實(shí)現(xiàn)性難題和長期穩(wěn)定性短板。陳彧、劉鋼團(tuán)隊(duì)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(yīng)，在材料帶隙中引入穩(wěn)定中間能級，使器件電導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了64個連續(xù)態(tài)的有效和非易失性調(diào)制，電導(dǎo)的調(diào)制和讀取功耗接近半導(dǎo)體器件的零功耗工作極限。
有機(jī)材料與硅晶圓的加工適配性是產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵障礙。團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)了亞百納米線寬金屬電極的精準(zhǔn)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(jì)算芯片。 首次實(shí)現(xiàn)有機(jī)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(wù)，識別準(zhǔn)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(yīng)，可模擬生物神經(jīng)元對時序信號的學(xué)習(xí)記憶和決策能力，為智能感知、仿生存儲和類腦計(jì)算芯片奠定了硬件基礎(chǔ)。
應(yīng)用前景：開啟“柔性智能”與“生機(jī)融合”新時代
這項(xiàng)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(shè)備斷供的背景下，有機(jī)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(shí)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(xiàng)。國家“十四五”規(guī)劃明確提出“發(fā)展類腦計(jì)算、量子計(jì)算等新型計(jì)算模式”，該成果正是對這一戰(zhàn)略的有力響應(yīng)。
有機(jī)材料的生物兼容性與機(jī)械柔韌性，使其成為植入式醫(yī)療設(shè)備的理想載體。團(tuán)隊(duì)成果有望在未來實(shí)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(jī)融合接口”，幫助肢體殘缺者通過腦機(jī)接口恢復(fù)運(yùn)動功能，或在極端環(huán)境中部署可自愈的柔性機(jī)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(shè)計(jì)、制造、封測等環(huán)節(jié)割裂，而有機(jī)分子芯片可通過材料改性直接賦予器件計(jì)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(jìn)。這項(xiàng)成果的誕生，是我國“基礎(chǔ)研究-技術(shù)攻關(guān)-應(yīng)用轉(zhuǎn)化”全鏈條創(chuàng)新的典型縮影——基礎(chǔ)研究：依托國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國際合作項(xiàng)目等支持，團(tuán)隊(duì)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(dǎo)致的器件良率問題，相關(guān)成果入選《上海科技年鑒》；技術(shù)轉(zhuǎn)化：團(tuán)隊(duì)正開展光電載荷工程化驗(yàn)證，推動芯片在航天遙感、軍事通信等領(lǐng)域的應(yīng)用；學(xué)科交叉：融合化學(xué)、材料、電子工程、神經(jīng)生物學(xué)等多學(xué)科，團(tuán)隊(duì)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(jì)算機(jī)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(yīng)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(dǎo)無機(jī)材料研究，但有機(jī)/高分子方向的突破則由中國團(tuán)隊(duì)引領(lǐng)。陳彧、劉鋼團(tuán)隊(duì)的成果創(chuàng)下多項(xiàng)“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(jì)算芯片。與國內(nèi)外同類有機(jī)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(dá) 34 Gb/inch2。集成良率高達(dá)92.48%，器件響應(yīng)線性度和均一性均達(dá)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(jī)半導(dǎo)體器件的微縮集成可實(shí)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(jì)算技術(shù)。《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確將“類腦計(jì)算”列為重點(diǎn)任務(wù)，《“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(jì)算等技術(shù)研發(fā)”。團(tuán)隊(duì)的突破，正是對這些戰(zhàn)略的落地實(shí)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(jìn)制到仿生計(jì)算，陳彧、劉鋼團(tuán)隊(duì)的探索不僅是一項(xiàng)技術(shù)突破，更是一次創(chuàng)新范式的突圍。當(dāng)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(xué)科交叉與產(chǎn)學(xué)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。