中国科研团队在有机分子计算芯片领域取得关键突破
采编：陈荣 （2025-5-10）
在全球半导体产业遭遇技术封锁与“摩尔定律”逼近极限的双重挑战下，我国科研团队在新型计算芯片领域开辟出一条颠覆性技术路径。华东理工大学陈彧教授与上海交通大学刘钢教授联合团队成功研制出目前集成密度最高、功耗最低的有机/高分子忆阻器芯片，为突破高端芯片制造瓶颈、破解产业供应链难题提供了全新技术路径，也为后摩尔时代的算力革命奠定了关键材料与技术基础。
打破传统架构：从“硅基局限”到“碳基仿生”的算力突围
当前，全球信息技术发展正面临两大瓶颈：一是以硅晶体管为核心的集成电路工艺进入亚10纳米阶段后，尺寸微缩带来的量子隧穿效应导致功耗激增，业界预测20年后全球半数发电量将被数据存储消耗；二是“感存算分离”的冯?诺依曼架构引发数据通讯瓶颈，超级计算机如AlphaGo需30立方米空间和2万瓦功耗，能效比人脑低数百万倍。
受自然界碳基智能启发，陈彧、刘钢团队将目光投向有机电子领域。不同于硅芯片依赖二进制开关，有机分子器件可通过导电能力的动态变化模拟生物突触的“记忆-处理-传输”一体化功能。团队历经十年攻关，设计合成了一系列具有优良忆阻性能的有机/高分子功能材料，制备了国际上微缩尺寸最小、功耗最低、集成密度最高的分子计算芯片。作为一个典型例子，具有二维刚性结构的四苯基卟啉四磺酸（TPPS）利用其所携带的具有自然界最大荷质比的阳离子，即质子，作为电导调控的物理载体，在10微米至100纳米尺寸忆阻器件中实现了飞瓦级（10?1?瓦）功耗的非易失性电导调控，其稳定性与能效比均达国际顶尖水平。
这一突破的核心意义在于：通过模拟人脑神经元的突触可塑性，芯片可在单个器件内完成信息存储与计算的原位融合，彻底打破传统芯片“存储-计算”分离的耗能架构。实验显示，该芯片执行Hopfield神经网络运算时，能效比同尺寸硅基芯片有极大提升，为边缘计算、物联网等低功耗场景提供了革命性解决方案。
核心技术攻坚：从材料创新到工艺集成的全链条突破
传统有机半导体面临“低功耗调制”与“非易失性存储”的矛盾——降低功耗会导致存储稳定性下降。实现电导状态的可读写精准调控需要重点解决三个核心技术挑战：器件电导的可逆-非易失调控矛盾，硬件集成可实现性难题和长期稳定性短板。陈彧、刘钢团队利用TPPS的刚性平面结构提升分子长程有序性，通过“质子迁移-钉扎惯性-自配位掺杂”三重效应，在材料带隙中引入稳定中间能级，使器件电导实现了64个连续态的有效和非易失性调制，电导的调制和读取功耗接近半导体器件的零功耗工作极限。
有机材料与硅晶圆的加工适配性是产业化关键障碍。团队研发“几何图形-曝光剂量协同校正”技术，在TPPS、二维共轭聚合物PBDTT-BQTPA等薄膜上实现了亚百纳米线宽金属电极的精准制造。研制了极限尺寸50纳米、阵列规模1 Kb、集成密度超过34
Gb/inch2、加工良品率超过90%的分子计算芯片。 首次实现有机分子器件与硅芯片的混合信号集成，为“硅基-碳基异构融合”开辟了路径。
基于该芯片构建的混合信号系统，成功完成手写数字识别、路径规划等典型AI任务，识别准确高，接近商用硅基芯片水平，但功耗仅为后者的1/500。更重要的是，器件展现出优异的“尖峰速率和时序依赖性塑性”仿生响应，可模拟生物神经元对时序信号的学习记忆和决策能力，为智能感知、仿生存储和类脑计算芯片奠定了硬件基础。
应用前景：开启“柔性智能”与“生机融合”新时代
这项技术的价值不仅在于突破算力瓶颈，更在于开辟了全新的产业赛道。在14纳米以下制程设备断供的背景下，有机分子芯片无需极紫外（EUV）光刻等高门槛技术，可通过电子束曝光与溶液加工实现亚百纳米制造，为我国在高端芯片领域“换道超车”提供了选项。国家“十四五”规划明确提出“发展类脑计算、量子计算等新型计算模式”，该成果正是对这一战略的有力响应。
有机材料的生物兼容性与机械柔韧性，使其成为植入式医疗设备的理想载体。团队成果有望在未来实现器件与大鼠神经元的信号交互，开发“跨介质生机融合接口”，帮助肢体残缺者通过脑机接口恢复运动功能，或在极端环境中部署可自愈的柔性机器人。工信部《新能源汽车产业发展规划》等政策对柔性电子的明确支持，更为该技术落地提供了产业土壤。
传统芯片产业链被设计、制造、封测等环节割裂，而有机分子芯片可通过材料改性直接赋予器件计算功能，推动产业向“材料即器件，器件即系统”的一体化模式演进。这项成果的诞生，是我国“基础研究-技术攻关-应用转化”全链条创新的典型缩影——基础研究：依托国家自然科学基金重点项目、国际合作项目等支持，团队在《Nature Communications》、《Advanced Materials》等期刊发表90余篇论文，系统解决了分子材料结构不均性导致的器件良率问题，相关成果入选《上海科技年鉴》；技术转化：团队正开展光电载荷工程化验证，推动芯片在航天遥感、军事通信等领域的应用；学科交叉：融合化学、材料、电子工程、神经生物学等多学科，团队开发的二维共轭高分子PBDTT-BQTPA等材料体系受到国内外同行的高度关注和评价：“为开发超越传统冯诺依曼架构的高性能智能计算机提供了新见解”、“解决了因分子材料结构不均匀性引起的纳米器件制造良率与稳定性的最大问题,可以用于高密度逻辑和信息存储模块”、“在分子层次完成信息检测、转换、传输、存储与处理等功能，为应对“摩尔困境”提供了新的发展路径”。
在忆阻器芯片赛道，国际巨头如惠普、三星等曾长期主导无机材料研究，但有机/高分子方向的突破则由中国团队引领。陈彧、刘钢团队的成果创下多项“国际第一”： 首个国际上微缩尺寸最小、功耗最低、集成密度最高的分子计算芯片。与国内外同类有机高分子芯片相比，芯片尺寸微缩 70 倍，集成规模提高 300 倍，集成密度高达 34 Gb/inch2。集成良率高达92.48%，器件响应线性度和均一性均达到了99%左右；首个与硅芯片集成的混合信号分子神经形态硬件系统；将一维共轭拓展为二维共轭，优化高分子薄膜内部晶界，大幅度提高了有机半导体器件的微缩集成可实现性。值得关注的是，我国在政策层面已全面布局新型计算技术。《新一代人工智能发展规划》明确将“类脑计算”列为重点任务，《“十四五”信息通信行业发展规划》提出“推动存算一体、神经形态计算等技术研发”。团队的突破，正是对这些战略的落地实践，为我国芯片领域从“追赶者”向“创新引领者”的转变提供可靠支撑。
从硅基到碳基，从二进制到仿生计算，陈彧、刘钢团队的探索不仅是一项技术突破，更是一次创新范式的突围。当传统集成电路遭遇物理极限与地缘政治的双重壁垒，中国科研人员在分子尺度开辟出算力革命的新赛道。在核心技术攻关中，聚焦“从0到1”的原始创新，充分发挥学科交叉与产学研协同优势，我们完全能够在“卡脖子”领域凿开新通道，为我国信息技术产业的自主可控筑牢根基。