中國科研團隊在有機分子計算芯片領域取得關鍵突破
采編：陳榮 （2025-5-10）
在全球半導體產業遭遇技術封鎖與“摩爾定律”逼近極限的雙重挑戰下，我國科研團隊在新型計算芯片領域開辟出一條顛覆性技術路徑。華東理工大學陳彧教授與上海交通大學劉鋼教授聯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、破解產業供應鏈難題提供了全新技術路徑，也為后摩爾時代的算力革命奠定了關鍵材料與技術基礎。
打破傳統架構：從“硅基局限”到“碳基仿生”的算力突圍
當前，全球信息技術發展正面臨兩大瓶頸：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，業界預測20年后全球半數發電量將被數據存儲消耗；二是“感存算分離”的馮?諾依曼架構引發數據通訊瓶頸，超級計算機如AlphaGo需30立方米空間和2萬瓦功耗，能效比人腦低數百萬倍。
受自然界碳基智能啟發，陳彧、劉鋼團隊將目光投向有機電子領域。不同于硅芯片依賴二進制開關，有機分子器件可通過導電能力的動態變化模擬生物突觸的“記憶-處理-傳輸”一體化功能。團隊歷經十年攻關，設計合成了一系列具有優良憶阻性能的有機/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，具有二維剛性結構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比的陽離子，即質子，作為電導調控的物理載體，在10微米至100納米尺寸憶阻器件中實現了飛瓦級（10?1?瓦）功耗的非易失性電導調控，其穩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：通過模擬人腦神經元的突觸可塑性，芯片可在單個器件內完成信息存儲與計算的原位融合，徹底打破傳統芯片“存儲-計算”分離的耗能架構。實驗顯示，該芯片執行Hopfield神經網絡運算時，能效比同尺寸硅基芯片有極大提升，為邊緣計算、物聯網等低功耗場景提供了革命性解決方案。
核心技術攻堅：從材料創新到工藝集成的全鏈條突破
傳統有機半導體面臨“低功耗調制”與“非易失性存儲”的矛盾——降低功耗會導致存儲穩定性下降。實現電導狀態的可讀寫精準調控需要重點解決三個核心技術挑戰：器件電導的可逆-非易失調控矛盾，硬件集成可實現性難題和長期穩定性短板。陳彧、劉鋼團隊利用TPPS的剛性平面結構提升分子長程有序性，通過“質子遷移-釘扎慣性-自配位摻雜”三重效應，在材料帶隙中引入穩定中間能級，使器件電導實現了64個連續態的有效和非易失性調制，電導的調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業化關鍵障礙。團隊研發“幾何圖形-曝光劑量協同校正”技術，在TPPS、二維共軛聚合物PBDTT-BQTPA等薄膜上實現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。 首次實現有機分子器件與硅芯片的混合信號集成，為“硅基-碳基異構融合”開辟了路徑。
基于該芯片構建的混合信號系統，成功完成手寫數字識別、路徑規劃等典型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，器件展現出優異的“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
這項技術的價值不僅在于突破算力瓶頸，更在于開辟了全新的產業賽道。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，可通過電子束曝光與溶液加工實現亞百納米制造，為我國在高端芯片領域“換道超車”提供了選項。國家“十四五”規劃明確提出“發展類腦計算、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，使其成為植入式醫療設備的理想載體。團隊成果有望在未來實現器件與大鼠神經元的信號交互，開發“跨介質生機融合接口”，幫助肢體殘缺者通過腦機接口恢復運動功能，或在極端環境中部署可自愈的柔性機器人。工信部《新能源汽車產業發展規劃》等政策對柔性電子的明確支持，更為該技術落地提供了產業土壤。
傳統芯片產業鏈被設計、制造、封測等環節割裂，而有機分子芯片可通過材料改性直接賦予器件計算功能，推動產業向“材料即器件，器件即系統”的一體化模式演進。這項成果的誕生，是我國“基礎研究-技術攻關-應用轉化”全鏈條創新的典型縮影——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》等期刊發表90余篇論文，系統解決了分子材料結構不均性導致的器件良率問題，相關成果入選《上海科技年鑒》；技術轉化：團隊正開展光電載荷工程化驗證，推動芯片在航天遙感、軍事通信等領域的應用；學科交叉：融合化學、材料、電子工程、神經生物學等多學科，團隊開發的二維共軛高分子PBDTT-BQTPA等材料體系受到國內外同行的高度關注和評價：“為開發超越傳統馮諾依曼架構的高性能智能計算機提供了新見解”、“解決了因分子材料結構不均勻性引起的納米器件制造良率與穩定性的最大問題,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、轉換、傳輸、存儲與處理等功能，為應對“摩爾困境”提供了新的發展路徑”。
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。陳彧、劉鋼團隊的成果創下多項“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。與國內外同類有機高分子芯片相比，芯片尺寸微縮 70 倍，集成規模提高 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形態硬件系統；將一維共軛拓展為二維共軛，優化高分子薄膜內部晶界，大幅度提高了有機半導體器件的微縮集成可實現性。值得關注的是，我國在政策層面已全面布局新型計算技術。《新一代人工智能發展規劃》明確將“類腦計算”列為重點任務，《“十四五”信息通信行業發展規劃》提出“推動存算一體、神經形態計算等技術研發”。團隊的突破，正是對這些戰略的落地實踐，為我國芯片領域從“追趕者”向“創新引領者”的轉變提供可靠支撐。
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突破，更是一次創新范式的突圍。當傳統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。在核心技術攻關中，聚焦“從0到1”的原始創新，充分發揮學科交叉與產學研協同優勢，我們完全能夠在“卡脖子”領域鑿開新通道，為我國信息技術產業的自主可控筑牢根基。