首页从ChatGPT到Sora,人工智能正在开启新的变革，但传统的硅基半导体技术越来越难以满足海量数据的处理需求。在这个世界难题面前，中国科学家找到了解决方案。北京大学电子学院碳基电子学研究中心彭练矛-张志勇团队，在下一代芯片技术领域取得重大突破，成功研发出世界首个基于碳纳米管的张量处理器芯片(TPU)，将碳基电子学从器件研究推向系统级展示。该研究成果以《碳纳米管张量处理器》为题，在国际著名学术期刊《自然•电子学》在线发表。
目前，硅基运算芯片的进步主要依赖于硬件架构的创新，构建芯片的硅基互补金属氧化物半导体晶体管，进入了尺寸缩减、功耗剧增的困境，亟需发展超薄、高载流子迁移率的半导体作为沟道材料，期望构建比硅基CMOS晶体管具有更好可缩减性和更高性能的晶体管。
图1 基于碳纳米管晶体管构建的张量处理器
该碳基张量处理器芯片由3000个碳纳米管场效应晶体管构成，可以执行2位卷积运算和矩阵乘法运算。采用脉动阵列架构构建，可以并行执行2位整数乘法累加操作，可准确地提取图像轮廓(图2)。
图2 图像轮廓提取结果
基于此碳基张量处理器芯片进一步搭建了五层卷积神经网络，可以执行MNIST图像识别，准确率高达88%，功耗仅为295W，是所有新型卷积加速硬件技术中的最低功耗(图3)。系统仿真结果表明，采用180nm技术节点的碳基晶体管，主频可以达到850MHz，能量效率超过1TOPS/w，相对于同等技术节点的其他器件技术显示明显优势，表明了碳基张量处理器，在面向未来AI应用场景中具有更强的算力和更高的能量效率。进一步缩减碳基晶体管的技术节点，有望充分发挥碳基晶体管的高效能优势，极大提升新架构数据处理芯片的性能和效率，加速推动该领域的发展。
图3 卷积神经网络与手写数字识别结果
北京大学张志勇教授表示，碳纳米管具有优异的电学特性和超薄结构,碳纳米管晶体管已经展现出超越商用硅基晶体管的性能和功耗潜力，前期研究表明，相对于同等技术节点的硅基CMOS晶体管，碳基晶体管具有10倍的速度功耗综合优势，可以制造出更高能效的集成电路或系统，满足人工智能时代对芯片的需求。
国际上多个课题组已经实现了具有一定规模的碳基集成电路演示，包括各种逻辑门和运算电路、SRAM和简单的CPU等，但受限于工艺成熟度，尚未有研究工作成功地展示碳纳米管晶体管技术在面向人工智能的高性能计算芯片领域的应用。北京大学电子学院碳基电子学研究中心的司佳助理研究员为该论文的第一作者，彭练矛院士和张志勇教授为通讯作者，北京邮电大学张盼盼特聘研究员为共同第一作者。
(责任编辑：谭梦桐)
