我國研發出首個碳納米管張量處理器芯片

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記者從北京大學官方網站獲悉，近日，該校科研團隊在下一代芯片技術領域取得重大突破，成功研發出世界首個基于碳納米管的張量處理器芯片，可實現高能效的卷積神經網絡運算。

隨著人工智能技術的飛速發展，尤其是ChatGPT等大模型應用的崛起，未來世界的數據將呈爆發式增長，海量數據的處理對芯片的算力和能量效率提出了嚴峻挑戰。然而，高能效計算芯片的發展正遭遇芯片架構、晶體管性能兩個重大瓶頸：傳統的馮·諾依曼架構已經無法滿足高速、高帶寬的數據搬運和處理需求，未來的高能效運算芯片必須在硬件架構上進行革新，以適用于神經網絡等模型的張量數據運算。同時，構建芯片的硅基互補金屬氧化物半導體晶體管也處于尺寸縮減、功耗劇增的困境，亟須發展超薄、高載流子遷移率的半導體作為溝道材料，期望構建比硅基CMOS晶體管具有更好可縮減性和更高性能的晶體管。

碳納米管具有優異的電學特性和超薄結構，碳納米管晶體管已經展現出超越商用硅基晶體管的性能和功耗潛力，因此有望成為構建未來高效能運算芯片的主要器件技術。只有在系統架構和底層晶體管兩個方面共同實現突破，才能最大化地提升芯片的算力和能效。目前成熟的硅基器件技術的運算芯片主要依賴于架構的創新，而基于新材料電子器件的研究，主要集中在提升晶體管的性能，尚未有研究工作將二者結合起來。

北京大學研究團隊基于碳納米管晶體管這一新型器件技術，結合高效的脈動陣列架構設計，成功制備了世界首個碳納米管基的張量處理器芯片。該芯片采用新型器件工藝和脈動陣列架構，將3000個碳納米管晶體管集成為張量處理器芯片，將碳基電子學從器件研究推向系統演示，顯著提升卷積神經網絡的運算效率，功耗極低，且準確率達到88％。此外，碳基晶體管展現出比硅基CMOS晶體管更優的速度、功耗等綜合優勢，碳基張量處理器在180納米技術節點具有3倍性能優勢，并有延續至先進技術節點的潛力，有望滿足人工智能時代對高性能、高能效芯片的需求。