日前，上海交通大學劉鋼研究員和合作者通過亞百納米線寬金屬電極的精準製造，成功研製出一款分子計算晶片。
它的極限尺寸為 50nm，陣列規模達到 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小、集成密度最高的、也是全球首個與矽晶片集成的混合信號分子神經形態硬體系統。也是目前已有報道中功耗最低、穩定性最高的分子神經形態器件，為構建近零功耗的分子計算晶片奠定了材料基礎。」
研究中，他們成功利用這塊晶片高效、高精度地執行了 Hopfield 神經網絡運算和路徑規劃任務，充分驗證了發展高性能分子計算技術的可行性。
（來源：資料圖）
而這款晶片的面世，和一種有機小分子密不可分。研究中，課題組設計出一種具有簡單化學結構的有機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比的陽離子（即質子），來作為電導調控的物理載體。
通過低電場驅動下的順序遷移、釘扎慣性和自配位摻雜效應，在帶隙中引入穩定的中間能級，在 10μm 至 100nm 尺寸的器件中實現了飛瓦級功耗、具有記憶能力的電導調控特性，並展示了具有優異魯棒特徵的尖峰速率、以及時序依賴性的塑性仿生響應。
此外，這種有機分子的二維剛性結構能夠顯著提高材料的長程有序性，可以有效緩解因分子鏈摺疊、位錯以及宏觀晶界、空隙和裂紋等缺陷隨機分布，而導致的電氣響應可控性差的現象，從而大幅提高分子神經形態器件的微縮與集成能力。
在此基礎之上，課題組通過幾何圖形和曝光劑量校正等方法，進一步優化了基於電子束曝光的加工技術，突破了有機材料與傳統互補式金屬氧化物半導體（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）工藝平台兼容性差的制約。
在有機小分子 TPPS 和呋喃大分子衍生物 PBFCL10 薄膜上，他們造出了這款分子計算晶片。
據介紹，分子計算技術的應用前景集中在仿生領域。具體來說：
一方面，分子神經形態器件與分子計算晶片可以模擬人腦高效的工作方式，並且具有單分子水平的集成潛力，在集成電路晶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展未來高性能計算技術的一種重要候選方案。
另一方面，由於有機材料具有優異的機械柔韌性和生物兼容性，在可穿戴甚至可植入智能技術方面能呈現出得天獨厚的優勢。
因此，不妨利用分子器件和分子晶片作為生物神經系統和機械電子系統互聯的接口，研製跨介質生機融合智能機器人，這不僅有望幫助人類在肢體殘缺的情況下恢復機體功能，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的作業。
「當然，要實現這樣的目標，我們還有很多路要走，需要解決許多實際的工程技術問題。」劉鋼說。
前不久，第一篇相關論文發在 Nature Communications 上 [1]，論文題為《用於神經形態計算的超小型有機突觸》（An ultrasmall organic synapse for neuromorphic computing）。
圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）
第二篇相關論文發在 Advanced Science 上 [2], 論文題為《自協調有機質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 | 相關論文（來源：Advanced Science）
上海交通大學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。復旦大學周鵬教授、合肥工業大學張章教授、中國科學院寧波材料所張若愚教授、以及華東理工大學陳彧教授，分別是兩篇論文的共同通訊作者。
劉鋼表示：「在 Nature Communications 論文的評審過程中，兩位審稿人愛爾蘭皇家科學院院士 Werner Blau 教授和俄羅斯國家研究中心 Andrey Emelyanov 研究員對我們的工作給予了高度的評價。」
他們認為這種分子器件具有優異的長時穩定性、可靠性、加工良率和集成密度，對神經形態計算領域的發展起到非常重要的促進作用。
另外一名匿名審稿人認為本次成果是領域之內的第一篇論文，全鏈條地涵蓋了材料設計、器件製備測試、以及系統應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製的有機分子，對於保障晶片的加工良品率至關重要。
「Advanced Science 的審稿人對於這一工作的評價更高，他們認為我們將有機分子的電化學響應拓展至器件應用中，在超低功耗、響應速度和非易失性電導調控方面取得了更加重大的進步，是超低功耗神經形態器件領域的重要進展，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：自然界最高效的計算硬體系統
在劉鋼眼中有機電子是一個很有趣的研究領域。幾千年來，人類社會的發展與進步，總是伴隨著能源和信息技術的不斷革新，而能源革命的終極目標也在於永久保存和延續人類的基因和文明密碼。
從公元前 3000 年石器時代（也可稱之為第一個矽時代）的石子計數開始，人類就學會了使用工具來記錄重要事件與信息。
在奴隸和封建社會的碳時代（公元前 2000 年到公元前 600 年），我國古人發明了結繩、算籌和算盤來進行簡單的數學計算。
而工業革命開始後的機械和微電子時代（第二個矽時代），西方社會又先後發明了手搖計算機、電子計算機和超級計算機，並在人工智慧算法的加持下完成了對人腦算力的超越，在圍棋等高階智力運動領域先後戰勝了李世石、柯潔等世界頂級高手。
可以說，人工智慧技術的發展給人類工作、生活及娛樂方式帶來了翻天覆地的變化。
從宏觀角度來看，人工智慧技術的發展離不開對巨量計算資源的需求。例如，戰勝了李世石的超級計算機 Google AlphaGo 總占地超過 30 立方米，功耗高達 2 萬瓦。如果按照現在最先進的集成電路技術估計，20 年後全球總發電量的一半都要用來進行數據的存儲，這顯然是不可接受的。
而從微觀角度來看，隨著先進半導體技術和集成電路工藝進入亞 10 納米階段，在感、存、算分離的馮·諾依曼架構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提高微電子器件、集成電路晶片與人工智慧技術的算力水平。
因此，如何進一步發展高能效、高算力的智能計算技術，成為橫亘在人類面前的一道鴻溝。
相比之下，人腦僅以 1.5 升的容積和 20 瓦的功耗，就能與超級計算機相抗衡。所以我們完全可以認為：以人類和哺乳動物為代表的碳基智能生命體，才是自然界中最高效的計算硬體系統。
那麼，碳基智能是怎麼工作的？人類的各種感覺器官和大腦中樞神經中包含上百億個神經元細胞，並通過它們之間數以百兆計的突觸連接，形成了紛繁複雜而又功能強大的神經網絡。
一方面，這些神經元以各種離子和分子為遞質，在突觸間隙原位進行生物電信號的傳遞、存儲、整合與發放，從而有效緩解機器智能系統中信號感知、存儲和處理單元間因數據通訊而產生的延遲與能耗問題。
另一方面，通過將複雜的認知和決策任務分解為無數個簡單的計算工作，然後在龐大的神經網絡之中，利用並行計算的方式同時執行這些計算任務，藉此高效完成那些對於電子計算機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，將為設計以及發展高性能的電子器件、晶片和計算技術提供新的靈感。
對於矽電晶體來說，它通過利用場效應驅動的電導易失性開關，實現「0」和「1」的二進位編碼。
不同的是，有機電子則以有機小分子和高分子為基礎來構建器件。尤其是有機神經形態器件和分子計算晶片，可以利用有機分子導電能力的動態變化，來模擬生物神經細胞原位記錄、處理和傳輸信號的能力，從而能以超低功耗的方式執行學習、記憶、識別、決策等複雜任務。
此外，有機材料還具有優異的機械柔韌性、生物兼容性以及接近單分子水平的超小尺寸製造潛力，是構建高性能仿生計算機的重要候選技術之一。
作為一種前沿信息技術，如何實現近零功耗分子神經形態器件的超小尺寸製造與集成，是發展分子計算晶片所面臨的核心挑戰。
儘管在過去幾十年間有機半導體的快速發展，為研製高性能有機電子器件提供了一定的材料基礎。
然而，由於器件電導的低功耗和非易失性調製之間存在能量勢壘悖論。並且對於有機分子的物化特性來說，它與矽和金屬等微納加工中的常規材料存在較大差別。
因此，當把有機分子放在矽晶圓上進行加工時，會受到電、熱、應力等多種物理場的影響。
同時，構建理想的分子神經形態器件與分子計算晶片，仍然需要解決諸多難題，不僅需要化學、物理、材料、信息甚至神經生物學等學科的交叉協作，也需要從材料設計、器件製備、先進算法和硬體架構等多個方面取得突破。
那麼，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離職回到國內任職之後，便開始著手這一問題。
662 天的投稿波折
他表示：「這個工作是我回到上海交通大學工作以後，與招收的第一個博士研究生劉書智同學一起完成的，前後差不過經歷了 4 年的時間。」
劉書智是湘潭大學的碩士畢業生，他在湘大導師劉益江教授的指導下已經開展了 3 年的有機半導體相關研究。
在 2019 年下半年加入劉鋼實驗室以後，經過短暫的適應之後，劉書智開始積極投入新的研究計劃之中。
劉鋼說：「正巧我那時正在與華東理工大學陳彧教授以及寧波材料所的前同事張若愚研究員討論，能否利用有機材料研製分子計算器件和類腦晶片，劉書智對這一跨越多個學科的研究方向非常感興趣，就主動提出加入到這一項目中來。」
經過上海交大、華東理工和寧波材料所三個課題組半年左右的通力合作，他們很快就攻克的材料設計、器件製備與性能調控方面的難點，並於 2020 年夏天研製出具有超快和超低功耗響應的 100nm 尺寸分子神經形態器件。
拿到這個結果以後大家非常高興，但又有些不滿足，一直在考慮能不能把這種性能優異的器件加工成晶片，並嘗試在某些具體應用場景下實現類腦計算功能的演示驗證。
帶著這些研究結果，課題組聯繫了復旦大學集成晶片與系統全國重點實驗室（原專用集成電路國家重點實驗室）的周鵬教授和合肥工業大學的張章教授。
「二位老師看到我們的樣品後也非常興奮，當即安排學生幫助開展我們分子晶片的集成製造以及混合信號分子神經形態硬體系統的算法與架構設計工作。最後，經過 3 年多的努力和 1 年多的投稿過程，兩篇論文終於得以發表。」劉鋼說。
論文發表是令人愉悅的，投稿修改卻是痛苦的。作為國際上尺寸最小、集成密度最高的分子計算晶片、以及第一個混合信號分子神經形態硬體系統，劉鋼和合作者認為這一成果足夠創新、也非常重要。
但是，從最初投稿到 Nature Materials、評審後修改、返投後被拒稿、經期刊編輯建議轉投至 Nature Communications、到最後的接收，一共經歷了 662 天的波折。
「我還清晰地記得在 2022 年 1 月 31 號大年夜，吃過年夜飯我還在和劉書智同學、周鵬教授和張章教授電話溝通稿件情況。經確認無誤後，我們在牛年除夕第一次將論文投稿到 Nature Materials。Nature Materr 的編輯非常重視這個工作，很快就安排了送審。」他說。
三位審稿人中有兩位審稿人非常肯定本次工作的創新性和重要性，也給出了進一步提高論文質量的明確建議，但是第三位審稿人從主觀上不相信他們能用有機材料製備出尺寸如此小、集成密度如此高的分子器件。
後來，課題組認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，又花費半年時間開展補充實驗，不僅從科學問題和工藝技術的層面回復了全部評審意見，更以高清晰的樣品電子顯微鏡照片回應了第三位審稿人的質疑。
當他們將修改好的論文返投回 Nature Matter 之後，成功說服了前兩位審稿人，他們也給出了正面的評審意見。
「無奈仍然無法扭轉第三位審稿人的固執偏見。在他的堅持下，Nature Materr 編輯做出了拒稿的決定。為了確保論文能夠儘快發表而不影響創新性，我們最終將論文投稿到 Nature Communications。這次就順利了許多，經過不到半年的兩輪審稿就得以快速發表。」劉鋼說。
儘管論文投稿、修改、返投、拒稿、轉投的過程波折而漫長，但這個過程中不僅幫助他們加深了對有機電子和分子神經形態器件的清晰認識，也進一步磨礪了自己枯坐冷板凳、探索未竟路的毅力與決心，也最終收穫了審稿人們的好評。
「兩篇論文的第一作者劉書智同學已經完成了博士階段的全部訓練和科研工作，正在積極準備出國深造。我相信經過這幾年的錘鍊，他在未來一定能夠取得更大的成果。」劉鋼說。
當然，這一系列研究並不會止步於此。利用分子材料驗證構建類腦計算器件與晶片的可行性，是課題組的下一步。
同時，在下一個五年他們打算努力完成以下兩個「壯舉」：
首先，力爭實現有機器件與矽基器件的單晶片三維集成，結合有機材料調控自由度高、矽基晶片工藝成熟度好的特點，探索分子器件的微縮集成和算力極限。
其次，利用有機材料特有的光電、熱電、壓電響應以及優異的機械柔韌性和生物兼容性，發展可以模擬人類感覺器官和中樞神經工作機制的人工神經系統，嘗試將它們應用到智慧醫療、意念機器人和人機互動智能等未來技術領域中去。
「work hard, pray hard and play hard」
另據悉，劉鋼的本碩博分別畢業於上海交通大學、新加坡-麻省理工學院學術聯盟（Singapore-MIT Alliance）、以及新加坡國立大學。
他說：「當我剛開始在 Singapore-MIT Alliance 的研究生學習時，來自於清華大學的謝建平師兄（現為新加坡國立大學化學與生物分子工程系長聘教授）在一次新生交流會上說了一句影響我一生的話，那就是『work hard and pray hard』。」
後來，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在。」他說。
他繼續說道：「我在新加坡國立大學讀博和當博士後時的導師康燕堂教授，是一位學術造詣極高卻又非常和藹可親的老先生。康老師是新加坡最高科技獎的獲得者，也是 JCR 一區期刊 ACS Applied Materials & Interface 的創刊副主編，更是我走上有機仿生電子學領域的領路人。」
在 40 多年的學術生涯中，康燕堂為中國培養了包括大學校長、長江學者、國家傑青以及上市公司老總等在內的一大批優秀人才，目前他仍然在西南大學繼續從事有機材料的科研和教學工作。
劉鋼說：「在讀博末期和博後期間，我時常同康老師借午餐時間討論未來的人生之路。康老師非常支持我回到國內開展獨立的學術工作，也一直鼓勵我去做一些難而正確的事，這跟我自己樂於探索的性格不謀而合。」
2012 年 6 月，寧波材料所創所所長崔平教授帶隊到新加坡招聘，經由劉鋼博士期間的國內合作導師華東理工大學陳彧教授引薦，劉鋼於 2012 年 8 月回國加入寧波所開始學術生涯。在寧波的 6 年多時間裡，他一直在有機電子器件領域開展工作。
隨著科研工作逐漸進入平台期，他也渴望能夠在更大的舞台上揮灑汗水、盡情發揮。
「在愛人的支持和陳彧老師的鼓勵之下，闊別 14 年後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，在化學化工學院和電子信息與電氣工程學院繼續開展有機電子的科研與教學工作。於是，步入不惑之年的我在這裡再次迸發了科學探索的激情和動力，研究工作也開始源源不斷地取得新的進展與突破。」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).