日前，上海交通大學(xué)劉鋼研究員和合作者通過亞百納米線寬金屬電極的精準(zhǔn)制造，成功研制出一款分子計(jì)算芯片。
它的極限尺寸為 50nm，陣列規(guī)模達(dá)到 1Kb，集成密度超過 34Gb/inch2，加工良品率超過 90%。
劉鋼表示：“這是目前全球微縮尺寸最孝集成密度最高的、也是全球首個(gè)與硅芯片集成的混合信號(hào)分子神經(jīng)形態(tài)硬件系統(tǒng)。也是目前已有報(bào)道中功耗最低、穩(wěn)定性最高的分子神經(jīng)形態(tài)器件，為構(gòu)建近零功耗的分子計(jì)算芯片奠定了材料基矗”
研究中，他們成功利用這塊芯片高效、高精度地執(zhí)行了 Hopfield 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算和路徑規(guī)劃任務(wù)，充分驗(yàn)證了發(fā)展高性能分子計(jì)算技術(shù)的可行性。
（來源：資料圖）
而這款芯片的面世，和一種有機(jī)小分子密不可分。研究中，課題組設(shè)計(jì)出一種具有簡(jiǎn)單化學(xué)結(jié)構(gòu)的有機(jī)小分子四苯基卟啉四磺酸（TPPS，4,4′,4″,4'''-（Porphine-5,10,15, 20-tetrayl）tetrakis（benzenesulfonic acid）），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），來作為電導(dǎo)調(diào)控的物理載體。
通過低電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的順序遷移、釘扎慣性和自配位摻雜效應(yīng)，在帶隙中引入穩(wěn)定的中間能級(jí)，在 10μm 至 100nm 尺寸的器件中實(shí)現(xiàn)了飛瓦級(jí)功耗、具有記憶能力的電導(dǎo)調(diào)控特性，并展示了具有優(yōu)異魯棒特征的尖峰速率、以及時(shí)序依賴性的塑性仿生響應(yīng)。
此外，這種有機(jī)分子的二維剛性結(jié)構(gòu)能夠顯著提高材料的長(zhǎng)程有序性，可以有效緩解因分子鏈折疊、位錯(cuò)以及宏觀晶界、空隙和裂紋等缺陷隨機(jī)分布，而導(dǎo)致的電氣響應(yīng)可控性差的現(xiàn)象，從而大幅提高分子神經(jīng)形態(tài)器件的微縮與集成能力。
在此基礎(chǔ)之上，課題組通過幾何圖形和曝光劑量校正等方法，進(jìn)一步優(yōu)化了基于電子束曝光的加工技術(shù)，突破了有機(jī)材料與傳統(tǒng)互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）工藝平臺(tái)兼容性差的制約。
在有機(jī)小分子 TPPS 和呋喃大分子衍生物 PBFCL10 薄膜上，他們?cè)斐隽诉@款分子計(jì)算芯片。
據(jù)介紹，分子計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用前景集中在仿生領(lǐng)域。具體來說：
一方面，分子神經(jīng)形態(tài)器件與分子計(jì)算芯片可以模擬人腦高效的工作方式，并且具有單分子水平的集成潛力，在集成電路芯片備受摩爾定律極限和馮諾依曼（John von Neumann）通訊瓶頸限制的情況下未嘗不是發(fā)展未來高性能計(jì)算技術(shù)的一種重要候選方案。
另一方面，由于有機(jī)材料具有優(yōu)異的機(jī)械柔韌性和生物兼容性，在可穿戴甚至可植入智能技術(shù)方面能呈現(xiàn)出得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。
因此，不妨利用分子器件和分子芯片作為生物神經(jīng)系統(tǒng)和機(jī)械電子系統(tǒng)互聯(lián)的接口，研制跨介質(zhì)生機(jī)融合智能機(jī)器人，這不僅有望幫助人類在肢體殘缺的情況下恢復(fù)機(jī)體功能，也有可能代替人類在一些極端的工作條件下完成位線任務(wù)的作業(yè)。
“當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，我們還有很多路要走，需要解決許多實(shí)際的工程技術(shù)問題。”劉鋼說。
前不久，第一篇相關(guān)論文發(fā)在 Nature Communications 上 [1]，論文題為《用于神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的超小型有機(jī)突觸》（An ultrasmall organic synapse for neuromorphic computing）。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Communications）
第二篇相關(guān)論文發(fā)在 Advanced Science 上 [2], 論文題為《自協(xié)調(diào)有機(jī)質(zhì)子突觸零功率工作極限的逼近》（Approaching the Zero-Power Operating Limit in a Self-Coordinated Organic Protonic Synapse）。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Science）
上海交通大學(xué)博士生劉書智和劉鋼研究員，分別是兩篇論文的第一作者和通訊作者。復(fù)旦大學(xué)周鵬教授、合肥工業(yè)大學(xué)張章教授、中國科學(xué)院寧波材料所張若愚教授、以及華東理工大學(xué)陳教授，分別是兩篇論文的共同通訊作者。
劉鋼表示：“在 Nature Communications 論文的評(píng)審過程中，兩位審稿人愛爾蘭皇家科學(xué)院院士 Werner Blau 教授和俄羅斯國家研究中心 Andrey Emelyanov 研究員對(duì)我們的工作給予了高度的評(píng)價(jià)。”
他們認(rèn)為這種分子器件具有優(yōu)異的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性、可靠性、加工良率和集成密度，對(duì)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展起到非常重要的促進(jìn)作用。
另外一名匿名審稿人認(rèn)為本次成果是領(lǐng)域之內(nèi)的第一篇論文，全鏈條地涵蓋了材料設(shè)計(jì)、器件制備測(cè)試、以及系統(tǒng)應(yīng)用等從原子到算法的各層面研究工作，尤其是課題組精巧創(chuàng)制的有機(jī)分子，對(duì)于保障芯片的加工良品率至關(guān)重要。
“Advanced Science 的審稿人對(duì)于這一工作的評(píng)價(jià)更高，他們認(rèn)為我們將有機(jī)分子的電化學(xué)響應(yīng)拓展至器件應(yīng)用中，在超低功耗、響應(yīng)速度和非易失性電導(dǎo)調(diào)控方面取得了更加重大的進(jìn)步，是超低功耗神經(jīng)形態(tài)器件領(lǐng)域的重要進(jìn)展，也是一篇非常令人興奮的論文。”劉鋼說。
圖 | 劉鋼（來源：劉鋼）
碳基智能生命體：自然界最高效的計(jì)算硬件系統(tǒng)
在劉鋼眼中有機(jī)電子是一個(gè)很有趣的研究領(lǐng)域。幾千年來，人類社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，總是伴隨著能源和信息技術(shù)的不斷革新，而能源革命的終極目標(biāo)也在于永久保存和延續(xù)人類的基因和文明密碼。
從公元前 3000 年石器時(shí)代（也可稱之為第一個(gè)硅時(shí)代）的石子計(jì)數(shù)開始，人類就學(xué)會(huì)了使用工具來記錄重要事件與信息。
在奴隸和封建社會(huì)的碳時(shí)代（公元前 2000 年到公元前 600 年），我國古人發(fā)明了結(jié)繩、算籌和算盤來進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)計(jì)算。
而工業(yè)革命開始后的機(jī)械和微電子時(shí)代（第二個(gè)硅時(shí)代），西方社會(huì)又先后發(fā)明了手搖計(jì)算機(jī)、電子計(jì)算機(jī)和超級(jí)計(jì)算機(jī)，并在人工智能算法的加持下完成了對(duì)人腦算力的超越，在圍棋等高階智力運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域先后戰(zhàn)勝了李世石、柯潔等世界頂級(jí)高手。
可以說，人工智能技術(shù)的發(fā)展給人類工作、生活及娛樂方式帶來了翻天覆地的變化。
從宏觀角度來看，人工智能技術(shù)的發(fā)展離不開對(duì)巨量計(jì)算資源的需求。例如，戰(zhàn)勝了李世石的超級(jí)計(jì)算機(jī) Google AlphaGo 總占地超過 30 立方米，功耗高達(dá) 2 萬瓦。如果按照現(xiàn)在最先進(jìn)的集成電路技術(shù)估計(jì)，20 年后全球總發(fā)電量的一半都要用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，這顯然是不可接受的。
而從微觀角度來看，隨著先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路工藝進(jìn)入亞 10 納米階段，在感、存、算分離的馮諾依曼架構(gòu)通訊瓶頸和摩爾定律物理極限的約束下，也很難通過尺寸微縮的方式來持續(xù)提高微電子器件、集成電路芯片與人工智能技術(shù)的算力水平。
因此，如何進(jìn)一步發(fā)展高能效、高算力的智能計(jì)算技術(shù)，成為橫亙?cè)谌祟惷媲暗囊坏励櫆稀?/p>
相比之下，人腦僅以 1.5 升的容積和 20 瓦的功耗，就能與超級(jí)計(jì)算機(jī)相抗衡。所以我們完全可以認(rèn)為：以人類和哺乳動(dòng)物為代表的碳基智能生命體，才是自然界中最高效的計(jì)算硬件系統(tǒng)。
那么，碳基智能是怎么工作的？人類的各種感覺器官和大腦中樞神經(jīng)中包含上百億個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞，并通過它們之間數(shù)以百兆計(jì)的突觸連接，形成了紛繁復(fù)雜而又功能強(qiáng)大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
一方面，這些神經(jīng)元以各種離子和分子為遞質(zhì)，在突觸間隙原位進(jìn)行生物電信號(hào)的傳遞、存儲(chǔ)、整合與發(fā)放，從而有效緩解機(jī)器智能系統(tǒng)中信號(hào)感知、存儲(chǔ)和處理單元間因數(shù)據(jù)通訊而產(chǎn)生的延遲與能耗問題。
另一方面，通過將復(fù)雜的認(rèn)知和決策任務(wù)分解為無數(shù)個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算工作，然后在龐大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中，利用并行計(jì)算的方式同時(shí)執(zhí)行這些計(jì)算任務(wù)，借此高效完成那些對(duì)于電子計(jì)算機(jī)來說不可能完成的工作。
（來源：資料圖）
由此可見通過效法自然，將為設(shè)計(jì)以及發(fā)展高性能的電子器件、芯片和計(jì)算技術(shù)提供新的靈感。
對(duì)于硅晶體管來說，它通過利用場(chǎng)效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的電導(dǎo)易失性開關(guān)，實(shí)現(xiàn)“0”和“1”的二進(jìn)制編碼。
不同的是，有機(jī)電子則以有機(jī)小分子和高分子為基礎(chǔ)來構(gòu)建器件。尤其是有機(jī)神經(jīng)形態(tài)器件和分子計(jì)算芯片，可以利用有機(jī)分子導(dǎo)電能力的動(dòng)態(tài)變化，來模擬生物神經(jīng)細(xì)胞原位記錄、處理和傳輸信號(hào)的能力，從而能以超低功耗的方式執(zhí)行學(xué)習(xí)、記憶、識(shí)別、決策等復(fù)雜任務(wù)。
此外，有機(jī)材料還具有優(yōu)異的機(jī)械柔韌性、生物兼容性以及接近單分子水平的超小尺寸制造潛力，是構(gòu)建高性能仿生計(jì)算機(jī)的重要候選技術(shù)之一。
作為一種前沿信息技術(shù)，如何實(shí)現(xiàn)近零功耗分子神經(jīng)形態(tài)器件的超小尺寸制造與集成，是發(fā)展分子計(jì)算芯片所面臨的核心挑戰(zhàn)。
盡管在過去幾十年間有機(jī)半導(dǎo)體的快速發(fā)展，為研制高性能有機(jī)電子器件提供了一定的材料基矗
然而，由于器件電導(dǎo)的低功耗和非易失性調(diào)制之間存在能量勢(shì)壘悖論。并且對(duì)于有機(jī)分子的物化特性來說，它與硅和金屬等微納加工中的常規(guī)材料存在較大差別。
因此，當(dāng)把有機(jī)分子放在硅晶圓上進(jìn)行加工時(shí)，會(huì)受到電、熱、應(yīng)力等多種物理場(chǎng)的影響。
同時(shí)，構(gòu)建理想的分子神經(jīng)形態(tài)器件與分子計(jì)算芯片，仍然需要解決諸多難題，不僅需要化學(xué)、物理、材料、信息甚至神經(jīng)生物學(xué)等學(xué)科的交叉協(xié)作，也需要從材料設(shè)計(jì)、器件制備、先進(jìn)算法和硬件架構(gòu)等多個(gè)方面取得突破。
那么，如何解決或部分解決上述問題？2018 年，劉鋼從新加坡國立大學(xué)離職回到國內(nèi)任職之后，便開始著手這一問題。
662 天的投稿波折
他表示：“這個(gè)工作是我回到上海交通大學(xué)工作以后，與招收的第一個(gè)博士研究生劉書智同學(xué)一起完成的，前后差不過經(jīng)歷了 4 年的時(shí)間。”
劉書智是湘潭大學(xué)的碩士畢業(yè)生，他在湘大導(dǎo)師劉益江教授的指導(dǎo)下已經(jīng)開展了 3 年的有機(jī)半導(dǎo)體相關(guān)研究。
在 2019 年下半年加入劉鋼實(shí)驗(yàn)室以后，經(jīng)過短暫的適應(yīng)之后，劉書智開始積極投入新的研究計(jì)劃之中。
劉鋼說：“正巧我那時(shí)正在與華東理工大學(xué)陳教授以及寧波材料所的前同事張若愚研究員討論，能否利用有機(jī)材料研制分子計(jì)算器件和類腦芯片，劉書智對(duì)這一跨越多個(gè)學(xué)科的研究方向非常感興趣，就主動(dòng)提出加入到這一項(xiàng)目中來。”
經(jīng)過上海交大、華東理工和寧波材料所三個(gè)課題組半年左右的通力合作，他們很快就攻克的材料設(shè)計(jì)、器件制備與性能調(diào)控方面的難點(diǎn)，并于 2020 年夏天研制出具有超快和超低功耗響應(yīng)的 100nm 尺寸分子神經(jīng)形態(tài)器件。
拿到這個(gè)結(jié)果以后大家非常高興，但又有些不滿足，一直在考慮能不能把這種性能優(yōu)異的器件加工成芯片，并嘗試在某些具體應(yīng)用場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)類腦計(jì)算功能的演示驗(yàn)證。
帶著這些研究結(jié)果，課題組聯(lián)系了復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（原專用集成電路國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）的周鵬教授和合肥工業(yè)大學(xué)的張章教授。
“二位老師看到我們的樣品后也非常興奮，當(dāng)即安排學(xué)生幫助開展我們分子芯片的集成制造以及混合信號(hào)分子神經(jīng)形態(tài)硬件系統(tǒng)的算法與架構(gòu)設(shè)計(jì)工作。最后，經(jīng)過 3 年多的努力和 1 年多的投稿過程，兩篇論文終于得以發(fā)表。”劉鋼說。
論文發(fā)表是令人愉悅的，投稿修改卻是痛苦的。作為國際上尺寸最孝集成密度最高的分子計(jì)算芯片、以及第一個(gè)混合信號(hào)分子神經(jīng)形態(tài)硬件系統(tǒng)，劉鋼和合作者認(rèn)為這一成果足夠創(chuàng)新、也非常重要。
但是，從最初投稿到 Nature Materials、評(píng)審后修改、返投后被拒稿、經(jīng)期刊編輯建議轉(zhuǎn)投至 Nature Communications、到最后的接收，一共經(jīng)歷了 662 天的波折。
“我還清晰地記得在 2022 年 1 月 31 號(hào)大年夜，吃過年夜飯我還在和劉書智同學(xué)、周鵬教授和張章教授電話溝通稿件情況。經(jīng)確認(rèn)無誤后，我們?cè)谂Ｄ瓿Φ谝淮螌⒄撐耐陡宓?Nature Materials。Nature Materr 的編輯非常重視這個(gè)工作，很快就安排了送審。”他說。
三位審稿人中有兩位審稿人非�？隙ū敬喂ぷ鞯膭�(chuàng)新性和重要性，也給出了進(jìn)一步提高論文質(zhì)量的明確建議，但是第三位審稿人從主觀上不相信他們能用有機(jī)材料制備出尺寸如此孝集成密度如此高的分子器件。
后來，課題組認(rèn)真考慮了所有審稿人的意見和建議，克服因新冠疫情肆虐而帶來的種種不便，又花費(fèi)半年時(shí)間開展補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，不僅從科學(xué)問題和工藝技術(shù)的層面回復(fù)了全部評(píng)審意見，更以高清晰的樣品電子顯微鏡照片回應(yīng)了第三位審稿人的質(zhì)疑。
當(dāng)他們將修改好的論文返投回 Nature Matter 之后，成功說服了前兩位審稿人，他們也給出了正面的評(píng)審意見。
“無奈仍然無法扭轉(zhuǎn)第三位審稿人的固執(zhí)偏見。在他的堅(jiān)持下，Nature Materr 編輯做出了拒稿的決定。為了確保論文能夠盡快發(fā)表而不影響創(chuàng)新性，我們最終將論文投稿到 Nature Communications。這次就順利了許多，經(jīng)過不到半年的兩輪審稿就得以快速發(fā)表。”劉鋼說。
盡管論文投稿、修改、返投、拒稿、轉(zhuǎn)投的過程波折而漫長(zhǎng)，但這個(gè)過程中不僅幫助他們加深了對(duì)有機(jī)電子和分子神經(jīng)形態(tài)器件的清晰認(rèn)識(shí)，也進(jìn)一步磨礪了自己枯坐冷板凳、探索未竟路的毅力與決心，也最終收獲了審稿人們的好評(píng)。
“兩篇論文的第一作者劉書智同學(xué)已經(jīng)完成了博士階段的全部訓(xùn)練和科研工作，正在積極準(zhǔn)備出國深造。我相信經(jīng)過這幾年的錘煉，他在未來一定能夠取得更大的成果。”劉鋼說。
當(dāng)然，這一系列研究并不會(huì)止步于此。利用分子材料驗(yàn)證構(gòu)建類腦計(jì)算器件與芯片的可行性，是課題組的下一步。
同時(shí)，在下一個(gè)五年他們打算努力完成以下兩個(gè)“壯舉”：
首先，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)有機(jī)器件與硅基器件的單芯片三維集成，結(jié)合有機(jī)材料調(diào)控自由度高、硅基芯片工藝成熟度好的特點(diǎn)，探索分子器件的微縮集成和算力極限。
其次，利用有機(jī)材料特有的光電、熱電、壓電響應(yīng)以及優(yōu)異的機(jī)械柔韌性和生物兼容性，發(fā)展可以模擬人類感覺器官和中樞神經(jīng)工作機(jī)制的人工神經(jīng)系統(tǒng)，嘗試將它們應(yīng)用到智慧醫(yī)療、意念機(jī)器人和人機(jī)交互智能等未來技術(shù)領(lǐng)域中去。
“work hard, pray hard and play hard”
另據(jù)悉，劉鋼的本碩博分別畢業(yè)于上海交通大學(xué)、新加坡-麻省理工學(xué)院學(xué)術(shù)聯(lián)盟（Singapore-MIT Alliance）、以及新加坡國立大學(xué)。
他說：“當(dāng)我剛開始在 Singapore-MIT Alliance 的研究生學(xué)習(xí)時(shí)，來自于清華大學(xué)的謝建平師兄（現(xiàn)為新加坡國立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系長(zhǎng)聘教授）在一次新生交流會(huì)上說了一句影響我一生的話，那就是‘work hard and pray hard’。”
后來，劉鋼自己又加了一句，變成“work hard, pray hard and play hard”。“即在工作中付出百分百的努力，在生活中也要百分百的投入，平衡工作與生活、接受自我是獲得 inner peace 屢試不爽的秘訣。而我也深深感激來自家人的愛，是家人的愛支持我一直走到現(xiàn)在。”他說。
他繼續(xù)說道：“我在新加坡國立大學(xué)讀博和當(dāng)博士后時(shí)的導(dǎo)師康燕堂教授，是一位學(xué)術(shù)造詣極高卻又非常和藹可親的老先生�？道蠋熓切录悠伦罡呖萍吉�(jiǎng)的獲得者，也是 JCR 一區(qū)期刊 ACS Applied Materials & Interface 的創(chuàng)刊副主編，更是我走上有機(jī)仿生電子學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)路人。”
在 40 多年的學(xué)術(shù)生涯中，康燕堂為中國培養(yǎng)了包括大學(xué)校長(zhǎng)、長(zhǎng)江學(xué)者、國家杰青以及上市公司老總等在內(nèi)的一大批優(yōu)秀人才，目前他仍然在西南大學(xué)繼續(xù)從事有機(jī)材料的科研和教學(xué)工作。
劉鋼說：“在讀博末期和博后期間，我時(shí)常同康老師借午餐時(shí)間討論未來的人生之路�？道蠋煼浅ＶС治一氐絿鴥�(nèi)開展獨(dú)立的學(xué)術(shù)工作，也一直鼓勵(lì)我去做一些難而正確的事，這跟我自己樂于探索的性格不謀而合。”
2012 年 6 月，寧波材料所創(chuàng)所所長(zhǎng)崔平教授帶隊(duì)到新加坡招聘，經(jīng)由劉鋼博士期間的國內(nèi)合作導(dǎo)師華東理工大學(xué)陳教授引薦，劉鋼于 2012 年 8 月回國加入寧波所開始學(xué)術(shù)生涯。在寧波的 6 年多時(shí)間里，他一直在有機(jī)電子器件領(lǐng)域開展工作。
隨著科研工作逐漸進(jìn)入平臺(tái)期，他也渴望能夠在更大的舞臺(tái)上揮灑汗水、盡情發(fā)揮。
“在愛人的支持和陳老師的鼓勵(lì)之下，闊別 14 年后我再次投入母校的親切懷抱。2018 年 12 月我回到上海交通大學(xué)，在化學(xué)化工學(xué)院和電子信息與電氣工程學(xué)院繼續(xù)開展有機(jī)電子的科研與教學(xué)工作。于是，步入不惑之年的我在這里再次迸發(fā)了科學(xué)探索的激情和動(dòng)力，研究工作也開始源源不斷地取得新的進(jìn)展與突破。”他說。
參考資料：
1.S. Liu, Y. Chen, G. Liu et al. Approaching the Zero-Power Operating Limit in A Self Coordinated Organic Proton Synapse. Adv. Sci., 2305075 (2023).
2.S. Liu, Z. Zhang, P. Zhou, G. Liu et al. An ultrasmall Organic Synapse for Neuromorphic Computing. Nature Commun., 14, 7655 (2023).
