卢力媛 科技日报记者 王春
芯片是现代电子技术的基石。目前，其信息处理能力依赖于在硅片上构建的高密度晶体管集成电路。为了追求更强的算力，人类沿着摩尔定律不断推进制程工艺，推动了多个产业变革。随着可穿戴设备、电子织物、脑机接口等新兴领域的蓬勃发展，人们希望能发展出不同于硬质硅基芯片的新型柔性信息处理器件，以有效满足电子设备柔性化、轻量化、微型化的应用需求。
复旦大学彭慧胜/陈培宁团队打破传统芯片硅基研究范式，成功在柔软、弹性的高分子纤维内，制造出大规模集成电路，创造出一种全新的信息处理器——纤维芯片。与传统芯片相比，这种新型芯片具有高度柔软、适应拉伸扭曲等复杂形变、可编织等独特优势，有望为脑机接口、电子织物、虚拟现实等新兴产业变革发展提供有力支撑。相关成果于1月22日发表于《自然》主刊。
芯片从“硬质”变“软线”
在智能可穿戴设备方兴未艾的今天，一个主要矛盾长期存在：我们的身体和衣物是柔软的，而赋予它们“智能”的核心部件——芯片却是硬质的。这导致最终的智能织物、植入式设备都难以摆脱“外挂”硬质信息处理模块的尴尬。
能不能把信息处理功能直接“整合”进纤维内部？彭慧胜/陈培宁团队将目光投向了芯片本身。他们提出一个大胆设想：能否让芯片的形态，从“硬片”变为“软线”？
然而，要将数以万计的晶体管集成到细如发丝且需随意弯折的纤维里，其难度无异于在头发里建造一座“微型城市”。这项工作几乎没有先例可循，团队如同在“无人区”中进行探索。
如何在细如发丝的纤维上实现强大的信息处理功能，而又不影响其柔软、可拉伸、可编织的本性？这是纤维电子领域公认的“硬骨头”。
研究团队跳出了“仅在纤维表面做文章”的惯性思维，提出了“多层旋叠架构”的设计思路。按照这一设计思路，在纤维内部构建多层集成电路，形成螺旋立体结构，就可以最大化利用纤维的内部空间。
基于这一架构，研究人员预测，即便以目前实验室级的光刻精度，在一根一米长的纤维芯片中，晶体管集成数量也有望达到百万级别，这一集成数量将超过经典计算机中央处理器的晶体管集成水平。
“软泥地”上盖“高楼”
有了设计蓝图，还需克服一系列“施工”难题。传统的芯片光刻工艺依赖于高度平整、稳定的硅晶圆衬底，而弹性高分子纤维的表面在微观上较为粗糙，呈现“坑坑洼洼”的形态，并且接触到光刻工艺中常用的溶剂时容易发生溶胀和变形。同时，其结构也难以承受复杂形变所带来的破坏。因此，要完成“施工”相当于在“软泥地”上盖“高楼”。
为此，研究团队历时5年攻关，成功开发出一种能在弹性高分子材料上直接光刻高密度集成电路的制备路线。他们首先采用等离子刻蚀技术，降低纤维表面粗糙度，使其达到商用光刻所需的平整度。随后，他们在纤维基底上沉积一层致密的聚对二甲苯纳米薄膜。这层薄膜如同给电路穿上了一件“柔性盔甲”，既能有效抵御溶剂侵蚀，又能与弹性基底共同构成“软—硬交替”的异质结构。该结构可以分散电路层在形变时产生的应力，从而确保电路即使在弯曲、拉伸乃至卡车碾压后，性能依然保持稳定。
据介绍，团队在纤维中实现了每厘米10万个晶体管的高密度集成，通过晶体管与电阻、电容等电子元件的高效互联，可实现数字电路、模拟电路运算等功能。
更关键的是，这种制备方法与目前芯片制造工艺可有效兼容。“我们的制备方法与主流光刻工艺兼容，已经可以在实验室实现成卷、可规模化的制备。”复旦大学纤维电子材料与器件研究院研究员陈培宁展示着一卷纤维芯片介绍。这意味着，这项实验室的原创突破走向产业应用具备良好工艺基础。
有望构建智能织物系统
纤维芯片的创制，有望为纤维电子系统集成提供新路径，推动智能实现从“嵌入”到“织入”的转变。
最直观的应用场景在于电子织物。“未来，我们的手机或电脑是不是可以就是一件衣服？”陈培宁展望道，直接编织集成发电、储能、传感、显示与信息处理功能的纤维，有望构建出全柔性、透气、可穿着的智能织物系统。
在脑机接口领域，纤维芯片的优势也十分突出。传统脑机接口的电极阵列需要外接信号处理模块，这限制了其植入的微创性和长期安全性。基于纤维芯片技术，研究团队已能在直径仅50微米的纤维上，同时集成高密度传感/刺激电极阵列和信号预处理电路。“也就是说，它能在植入脑内的同时，原位完成神经信号的高灵敏度感知与初步处理。”团队成员、复旦大学纤维电子材料与器件研究院博士研究生王臻说。
在成果发布会现场，团队还展示了一款集成纤维芯片的触觉手套。它外观与普通手套无异，但可以精准模拟握持不同物体的真实触感。“这为元宇宙交互、远程精细手术操作提供了新的可能。”团队成员、复旦大学纤维电子材料与器件研究院博士研究生陈珂介绍。
“未来，团队期望继续与来自不同学科的学者一起协同攻关，通过合成制备先进半导体材料，进一步提升器件集成密度，提升信息处理性能，满足更复杂的应用场景需求。在规模化制备和应用方面，团队已建立自主知识产权体系，期待与产业界加强合作，推动实现更广领域的高质量应用。”陈培宁说。
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