芯片是現代電子技術的基石。目前，其信息處理能力依賴於在硅片上構建的高密度晶體管集成電路。為了追求更強的算力，人類沿著摩爾定律不斷推進制程工藝，推動了多個產業變革。隨著可穿戴設備、電子織物、腦機接口等新興領域的蓬勃發展，人們希望能發展出不同於硬質硅基芯片的新型柔性信息處理器件，以有效滿足電子設備柔性化、輕量化、微型化的應用需求。

復旦大學彭慧勝/陳培寧團隊打破傳統芯片硅基研究范式，成功在柔軟、彈性的高分子纖維內，制造出大規模集成電路，創造出一種全新的信息處理器——纖維芯片。與傳統芯片相比，這種新型芯片具有高度柔軟、適應拉伸扭曲等復雜形變、可編織等獨特優勢，有望為腦機接口、電子織物、虛擬現實等新興產業變革發展提供有力支撐。相關成果於1月22日發表於《自然》主刊。

芯片從“硬質”變“軟線”

在智能可穿戴設備方興未艾的今天，一個主要矛盾長期存在：我們的身體和衣物是柔軟的，而賦予它們“智能”的核心部件——芯片卻是硬質的。這導致最終的智能織物、植入式設備都難以擺脫“外挂”硬質信息處理模塊的尷尬。

能不能把信息處理功能直接“整合”進纖維內部？彭慧勝/陳培寧團隊將目光投向了芯片本身。他們提出一個大膽設想：能否讓芯片的形態，從“硬片”變為“軟線”？

然而，要將數以萬計的晶體管集成到細如發絲且需隨意彎折的纖維裡，其難度無異於在頭發裡建造一座“微型城市”。這項工作幾乎沒有先例可循，團隊如同在“無人區”中進行探索。

如何在細如發絲的纖維上實現強大的信息處理功能，而又不影響其柔軟、可拉伸、可編織的本性？這是纖維電子領域公認的“硬骨頭”。

研究團隊跳出了“僅在纖維表面做文章”的慣性思維，提出了“多層旋疊架構”的設計思路。按照這一設計思路，在纖維內部構建多層集成電路，形成螺旋立體結構，就可以最大化利用纖維的內部空間。

基於這一架構，研究人員預測，即便以目前實驗室級的光刻精度，在一根一米長的纖維芯片中，晶體管集成數量也有望達到百萬級別，這一集成數量將超過經典計算機中央處理器的晶體管集成水平。

“軟泥地”上蓋“高樓”

有了設計藍圖，還需克服一系列“施工”難題。傳統的芯片光刻工藝依賴於高度平整、穩定的硅晶圓襯底，而彈性高分子纖維的表面在微觀上較為粗糙，呈現“坑坑窪窪”的形態，並且接觸到光刻工藝中常用的溶劑時容易發生溶脹和變形。同時，其結構也難以承受復雜形變所帶來的破壞。因此，要完成“施工”相當於在“軟泥地”上蓋“高樓”。

為此，研究團隊歷時5年攻關，成功開發出一種能在彈性高分子材料上直接光刻高密度集成電路的制備路線。他們首先採用等離子刻蝕技術，降低纖維表面粗糙度，使其達到商用光刻所需的平整度。隨后，他們在纖維基底上沉積一層致密的聚對二甲苯納米薄膜。這層薄膜如同給電路穿上了一件“柔性盔甲”，既能有效抵御溶劑侵蝕，又能與彈性基底共同構成“軟—硬交替”的異質結構。該結構可以分散電路層在形變時產生的應力，從而確保電路即使在彎曲、拉伸乃至卡車碾壓后，性能依然保持穩定。

據介紹，團隊在纖維中實現了每厘米10萬個晶體管的高密度集成，通過晶體管與電阻、電容等電子元件的高效互聯，可實現數字電路、模擬電路運算等功能。

更關鍵的是，這種制備方法與目前芯片制造工藝可有效兼容。“我們的制備方法與主流光刻工藝兼容，已經可以在實驗室實現成卷、可規模化的制備。”復旦大學纖維電子材料與器件研究院研究員陳培寧展示著一卷纖維芯片介紹。這意味著，這項實驗室的原創突破走向產業應用具備良好工藝基礎。

有望構建智能織物系統

纖維芯片的創制，有望為纖維電子系統集成提供新路徑，推動智能實現從“嵌入”到“織入”的轉變。

最直觀的應用場景在於電子織物。“未來，我們的手機或電腦是不是可以就是一件衣服？”陳培寧展望道，直接編織集成發電、儲能、傳感、顯示與信息處理功能的纖維，有望構建出全柔性、透氣、可穿著的智能織物系統。

在腦機接口領域，纖維芯片的優勢也十分突出。傳統腦機接口的電極陣列需要外接信號處理模塊，這限制了其植入的微創性和長期安全性。基於纖維芯片技術，研究團隊已能在直徑僅50微米的纖維上，同時集成高密度傳感/刺激電極陣列和信號預處理電路。“也就是說，它能在植入腦內的同時，原位完成神經信號的高靈敏度感知與初步處理。”團隊成員、復旦大學纖維電子材料與器件研究院博士研究生王臻說。

在成果發布會現場，團隊還展示了一款集成纖維芯片的觸覺手套。它外觀與普通手套無異，但可以精准模擬握持不同物體的真實觸感。“這為元宇宙交互、遠程精細手術操作提供了新的可能。”團隊成員、復旦大學纖維電子材料與器件研究院博士研究生陳珂介紹。

“未來，團隊期望繼續與來自不同學科的學者一起協同攻關，通過合成制備先進半導體材料，進一步提升器件集成密度，提升信息處理性能，滿足更復雜的應用場景需求。在規模化制備和應用方面，團隊已建立自主知識產權體系，期待與產業界加強合作，推動實現更廣領域的高質量應用。”陳培寧說。