深度丨清华登Nature，FLEXI柔性AI芯片问世，弯折4万次仍满负荷运行

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前言：

当可穿戴设备仍需将数据传至云端才能完成智能分析，当柔性电子始终困在[只能感知、无法思考]的技术牢笼，中国科研团队给出了破局答案。

从[柔性电子]到[柔性智能]，这关键的一跃，不仅打破了困扰行业数十年的技术瓶颈，更让可穿戴设备、柔性机器人、植入式医疗设备的未来有了全新的想象空间。

作者| 方文三

图片来源 |网 络

柔性电子的[阿喀琉斯之踵]

柔性电子技术发展已逾二十年，可弯曲屏幕、贴附式传感器早已走入大众视野。

但在这二十年间，行业始终被核心难题所困扰，柔性电子始终无法实现真正的智能计算。

这背后是一组难以调和的矛盾，也是柔性电子领域公认的[阿喀琉斯之踵]。

①传统的硅基刚性芯片性能强大，但硬+脆的特性使其无法与柔性基底结合，更无法贴合人体皮肤和植入体内或织入衣物。

②科学家们研发的柔性电子器件，始终陷入性能与柔性二选一的困境。

在传统电脑、手机的芯片中，CPU和内存相互分离，每次处理数据时，CPU都要从内存中搬运数据，计算完成后再将结果存回内存。

对于本就受限于体积和供电的柔性设备而言，这种架构的弊端被无限放大，想要实现AI级的乘加运算，数据来回搬运带来的能耗和延迟，足以让设备失去实用价值。

这些需求都指向一个核心，柔性设备需要一颗既柔软、低功耗，又能实现高性能AI计算的[大脑]。

而在此之前，全球范围内都没有一款能兼顾性能、柔性、功耗和成本的柔性计算芯片，这也成为阻碍万物智能时代到来的关键瓶颈。

直到清华FLEXI芯片的出现，这一僵局才被彻底打破。

FLEXI不止是能弯，更是可靠的智能芯片

近日，清华大学任天令教授团队联合北京大学合作者在国际顶级期刊《自然》（Nature）发表重磅研究成果，一款名为FLEXI的超薄柔性人工智能芯片正式问世。

这枚薄如蝉翼、轻若无物的芯片，不仅实现了弯折4万次仍满负荷运行的极致可靠性，更以0.016美元的超低成本、92.1%的高良率，首次让柔性电子拥有了真正的[智能大脑]。

这款基于低温多晶硅和IGZO薄膜晶体管工艺打造的柔性AI芯片，厚度仅25微米，薄如蝉翼，能像创可贴一样贴附在任意曲面。

但其性能和可靠性，却刷新了柔性芯片的行业纪录，更展现出极强的实用化潜力。

FLEXI完成了堪称严苛的测试，在1毫米半径下反复弯折180度，连续弯折超过4万次后，芯片的时钟频率和功耗变化均小于3.5%，计算能力丝毫未下降。

通过了-40℃至80℃的冷热冲击测试，以及高湿、光照老化测试，在常规条件下长期放置6个月以上，性能依然保持稳定。

更完成了100亿次无差错的乘法运算，展现出极高的运算精度。

FLEXI实现了柔性芯片的跨越式突破，它是首个将时钟频率提升到10MHz以上的柔性芯片。

其中FLEXI-1型号在高性能模式下，时钟频率最高可达12.5MHz，而此前同类柔性芯片的时钟频率多在1MHz左右。

在功耗上，FLEXI-1高性能模式下仅2.52mW，低功耗模式下更是低至55.94μW，极致的低功耗让其能适配需要长期工作的可穿戴设备。

与现有柔性芯片相比，FLEXI的能效提升了3到4个数量级，成为当前柔性计算芯片的性能标杆。

在AI任务表现上真正实现了端侧智能的落地，研究团队将轻量化AI模型部署至芯片，完成了多个实际场景的应用验证。

在心律失常检测任务中，仅1Kbit存储容量的FLEXI-1芯片，运行一维卷积神经网络，识别准确率高达99.2%，能在单次心跳中精准识别出心律不齐的迹象。

通过融合心率、呼吸、体温、皮肤湿度四种生理信号，对人体静坐、走路、跑步、情绪紧张等日常活动的识别准确率超过97.4%。

三层协同优化是破解难题的核心

FLEXI芯片的成功，并非偶然，更不是单一技术环节的突破，而是研究团队从底层工艺到顶层算法，进行全链路跨层协同优化的结果。

面对柔性电子的技术瓶颈，团队提出了CLCO策略：工艺、电路、算法多层级协同优化。

从三个维度同时发力，让芯片在保持柔性、低功耗的同时，实现了高性能的AI计算，这也是其能突破行业困境的核心密码。

①底层工艺：为了解决柔性晶体管性能低、稳定性差的问题，团队没有选择全新的小众工艺，而是基于商业化成熟的低温多晶硅薄膜晶体管（LTPS-TFT）工艺。

同时，团队采用铟镓锌氧化物（IGZO）薄膜晶体管作为核心开关器件，其极低的漏电流和优异的柔韧性，成为构建柔性计算电路的理想选择。

在此基础上，团队通过大量实验和模拟，引入等离子体处理、高温退火和轻掺杂漏极等技术，显著提升了柔性晶体管的载流子迁移率和稳定性。

将数以千计的晶体管高密度集成在聚酰亚胺柔性基底上，通过精细的电路布局，让芯片在数毫米的弯曲半径下依然能保持电气性能稳定。

②中层电路：FLEXI芯片最核心的创新是首次在柔性平台上实现了数字存内计算（CIM）架构，彻底摒弃了传统的冯·诺依曼架构。

团队设计了特殊的静态随机存取存储器（SRAM）单元，这些单元不仅能存储数据权重，还内置了逻辑门，能直接在存储单元内部完成乘加（MAC）运算。

数据在[原地]完成计算，彻底消除了数据在存储和计算单元之间来回搬运带来的功耗和延迟，就像人类的大脑，记忆和思考发生在同一区域，反应自然迅速。

更重要的是，数字存内计算架构相比模拟存算方案，更能抵抗柔性工艺带来的器件一致性差、环境波动等问题。

在柔性基底上，器件性能容易受机械变形、温湿度变化影响，而数字存算通过逻辑位运算完成计算，极大地提高了对噪声和工艺偏差的容忍度。

即使芯片处于极度弯曲状态，其逻辑判定依然能保持准确，这让柔性芯片真正拥有了稳定的计算能力。

同时，数字存算架构还省去了功耗较大的模数转换模块，进一步降低了芯片功耗。

③顶层算法：柔性芯片的体积和存储资源有限，如何让小小的芯片能运行复杂的AI模型，是团队需要解决的另一难题。

对此，研究团队从算法层面入手，为芯片的有限资源量身打造了轻量化的AI模型，核心思路是一次性部署，就地推理。

团队采用量化感知训练等算法优化技术，将神经网络模型进行极致[压缩]，在大幅减小模型规模的同时，几乎不损失识别精度。

训练好的模型被一次性烧录进入芯片，无需后续反复写入权重，也无需与外存频繁交换数据，彻底避免了外存数据搬运带来的功耗和延迟。

这一设计，让仅1Kbit存储容量的FLEXI-1芯片，就能完整运行卷积神经网络和循环神经网络，完成心律失常检测、日常活动识别等复杂AI任务。

工艺、电路、算法，三个层面环环相扣、相互适配，形成了一个有机的整体。

FLEXI打开柔性智能的无限想象空间

FLEXI芯片的超薄、柔性、低功耗、低成本特性，使其能适配医疗健康、柔性机器人、人机交互、物联网等多个领域。

医疗健康是FLEXI芯片最具潜力的应用领域，未来基于FLEXI的[智能创可贴]将成为现实。

内置芯片和微型传感器的贴片，能像皮肤一样贴在伤口或人体关键部位，实时监测温度、湿度、生化指标甚至心电信号，通过芯片的本地AI计算，即时分析伤口愈合情况、识别心律异常。

在柔性机器人领域，FLEXI芯片将为机器人装上[电子皮肤]。

利用芯片大面积延展的特性，将其集成在机器人的全身曲面，结合红外传感器，能实现非接触式的距离感知与避障，解决现有机器人近距离感知能力不足的问题。

同时，芯片的本地计算能力，能让机器人实现局部运动控制、环境识别等实时任务，让柔性机器人的动作更加精准、灵活。

甚至在微型飞行器的导航与通信中，FLEXI芯片也能凭借其柔性和低功耗特性，发挥重要作用。

在人机交互和可穿戴设备领域，FLEXI将让[无感智能]成为可能。

未来，芯片可以被织入衣物布料，成为智能织物，实时感知人体的呼吸、肌电信号，识别手势动作，让衣物成为人机交互的界面。

也可以制作成语音交互贴片，贴在任意表面，实现语音唤醒和本地语音识别。

而在智能手表、手环等设备中，FLEXI的本地计算能力，将让设备不再依赖云端，实现实时的健康数据分析和预警，同时大幅提升设备的续航能力。

FLEXI芯片还能应用于脑机接口领域，其柔性材质能更好地贴合生物组织，实现高通量神经信号的采集与前端实时处理，为脑机接口的小型化、便携化提供核心硬件支持。

在物联网领域，FLEXI的低成本、可贴附特性，使其能大规模融入各类物体，实现泛在的智能数据采集和本地分析。

结尾：

FLEXI柔性AI芯片是材料科学、器件工程、人机交互紧密结合的综合技术产物。

当芯片不再是那块冰冷的硅片，而是随形而动、融入生活各个空间的智能组件时，智能终端形态将重新定义，这一革命的核心是更贴近人类的智能形态。

部分资料参考：DeepTech深科技：《可弯折超4万次、成本不到2美分！清华造出柔性AI芯片，健康监测准确率超99％》，脑机接口未来产业：《柔性端侧AI更进一步：一块能弯的数字存内计算芯片》

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