青年报·青春上海记者 刘昕璐/文 施培琦/图、视频

长期以来，纤维系统一直依赖连接硬质块状芯片，这与其柔软、可适应复杂变形等应用要求存在根本矛盾，成为整个领域面临的一个重要挑战。

复旦大学彭慧胜/陈培宁团队突破传统芯片集成电路硅基研究范式，率先通过设计多层旋叠架构，在弹性高分子纤维内实现了大规模集成电路（简称“纤维芯片”）。“纤维芯片”信息处理能力与典型商业芯片相当，且具有高度柔软、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关键支撑。这一成果于北京时间1月22日凌晨以《基于多层旋叠架构的纤维集成电路》（“Fibre integrated circuits by multilayered spiral architecture”）为题发表于《自然》主刊（Nature）。

提出“纤维芯片”新概念

如何在纤维上实现高效信息处理功能，但又不影响纤维器件柔软、适应复杂形变、可编织等本征特性，已成为纤维器件实现规模应用的重要挑战。

复旦团队率先提出的这一“纤维器件”概念，通过长期攻关，已创建出具有发电、储能、发光、显示、生物传感等功能的30多种新型纤维器件，相关成果7次发表在Nature上，获授权国内外发明专利 120多项，部分成果初步实现产业应用。近年来，很多国家或地区也都在布局，将其列为国家级创新领域，权威预测该领域未来10年全球市场规模将达万亿欧元级别。

在持续深耕研究过程中，团队强烈意识到，与智能手机、计算机等各类电子设备的发展路径相似，要实现纤维器件的大规模应用，必须要将不同功能的纤维器件集成在一起，形成纤维电子系统，并赋予其信息交互功能。

具有信息处理功能的芯片，是实现纤维电子系统和信息交互功能的核心部件，但过去纤维电子系统的集成范式，普遍依赖连接硬质块状的芯片电路，这种范式通常会导致系统内电路连接复杂且不稳定，且与纤维柔性、透气性、轻量化、穿戴舒适性等应用要求存在根本矛盾，极大限制了纤维器件领域发展。

因此，亟需发展与纤维器件一维结构和功能适配的高效信息处理器，这是整个纤维器件领域公认的“硬骨头”和“无人区”工作。

团队大胆设想，是不是有可能在柔软、弹性的高分子纤维内实现高密度集成电路？实际是，挑战非常大，无先例可循。首先面临的一个挑战是，与目前集成电路所用的硅基平面衬底不同，纤维受限于其固有的曲面结构和有限的表面积，很难集成足够数量的电子元件，以实现高效信息处理能力。

就此，团队跳出“仅利用纤维表面”的惯性思维，提出多层旋叠架构的设计思想，即在纤维内部构建多层集成电路，形成螺旋式旋叠结构，从而最大化地利用纤维内部空间。基于实验结果推算，即便按照目前实验室级1微米的光刻精度，长度为1毫米的“纤维芯片”可集成1万个晶体管，其信息处理能力可与植入式起搏器芯片相当；若“纤维芯片”长度扩展至1米，其集成晶体管数量有望提升至百万级别，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。

初步实现“纤维芯片”规模制备

尽管有了路线图，“纤维芯片”的制备过程仍然面临重重挑战。

目前集成电路产业的光刻制备普遍依赖硅晶圆衬底，还很难直接在弹性高分子基底上实现高密度晶体管集成电路的光刻制造。团队通过5年攻关，探索出了系统解决方案，发展出可在弹性高分子上直接进行光刻高密度集成电路的制备路线。

据介绍，其中的关键策略包括：针对弹性高分子表面不平整的问题，采用等离子刻蚀方法，对弹性高分子表明进行平整化处理，将其粗糙度降至1纳米以下，有效满足商业光刻要求，目前光刻精度达到了实验室级光刻机的最高水平；在弹性衬底上设计一层致密的聚对二甲苯纳米膜层，该膜层不仅可以有效抵御光刻过程中各种溶剂侵蚀，还可以与弹性高分子衬底形成交替的“硬-软模量异质结构”，显著减小纤维复杂变形过程中的电路层应变，确保电路结构、功能稳定，从而赋予“纤维芯片”优异的服役稳定性。

团队所发展的制备方法，与目前芯片产业中的成熟光刻制造工艺高效兼容，通过研制原型装置，设计标准化制备流程，初步实现了“纤维芯片”的规模制备。

到底有什么优势？团队介绍，所制备的“纤维芯片”中，电子元件（如晶体管）集成密度达10万个/厘米，通过晶体管与电阻、电容等元件高效互连，可实现数字、模拟电路运算等功能，如异或门、与非门、或非门等基础逻辑门电路，锁存器等时序逻辑电路，以及与典型心脏起搏器芯片相当的电脉冲调制功能。该“纤维芯片”架构和制备方法还具有普适性，比如，可以集成有机电化学晶体管，可完成神经运算任务。

相比于传统芯片，“纤维芯片”还具有优异的柔性，可耐受弯曲、拉伸、扭曲等复杂形变，甚至在经过水洗、高低温、卡车碾压后，仍能保持性能稳定。

多领域展现独特应用前景

过去，纤维电子系统中信号处理与控制主要依赖连接外部块状硬质芯片电路。该集成方式不可避免地引起电路互连复杂、穿戴舒适性差、体内植入安全性低等问题。

如今，团队基于“纤维芯片”，在单根纤维上实现了供电、传感、显示、信号处理等功能的一体化集成，为纤维系统开辟了全新集成路径。这根像普通纤维一样的纤维系统，无需连接任何外部控制或供能模块，即可自主运行。例如，触摸纤维表面的压力传感位点，通过芯片模块逻辑运算与驱动适配处理，便可实时调控纤维内有源驱动单元的电流输出，进而控制发光模块的亮暗状态。

这种集成方法摆脱了过去纤维系统对外部信息处理设备的依赖，在脑机接口领域、电子织物领域、虚拟现实领域，多个领域展现出独特应用前景。

这一研究得到国家自然科学基金委、科技部、上海市科委等项目支持。复旦大学纤维电子材料与器件研究院、高分子科学系、先进材料实验室教授彭慧胜、陈培宁为此次论文通讯作者，博士研究生王臻、陈珂和博士后施翔为共同第一作者。

团队介绍，这项工作涉及材料合成制备、电子器件构建、电路设计集成和生物应用等，需要化学、信息、电子、医学等不同学科研究手段。展望未来，围绕“纤维芯片”研究，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，满足更复杂应用场景需求。同时，与产业界加强合作，推动实现更广领域高质量应用，为我国集成电路产业自立自强贡献力量。

青年报·青春上海记者 刘昕璐/文 施培琦/图、视频

编辑：陆天逸

来源：青春上海News—24小时青年报