面向人工智能應用的數(shù)據(jù)密集型計算任務的增長需要更高算力和更高能效的計算芯片，然而傳統(tǒng)的硅基半導體技術越來越難以滿足爆發(fā)式增長的數(shù)據(jù)處理需求。一個極具前景的的解決方案，就是將晶體管技術的革新與芯片架構的創(chuàng)新結合起來，以最大化地提升芯片的算力和能效。目前硅基運算芯片的進步主要依賴于硬件架構的創(chuàng)新，然而，構建芯片的硅基互補金屬氧化物半導體晶體管，進入了尺寸縮減、功耗劇增的困境，亟需發(fā)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(yōu)異的電學特性和超薄結構,碳納米管晶體管已經(jīng)展現(xiàn)出超越商用硅基晶體管的性能和功耗潛力，因此是構建未來高效能運算芯片的主要器件技術。
北京大學電子學院、碳基電子學研究中心彭練矛-張志勇團隊，基于碳納米管晶體管這一新型器件技術，結合張量運算的特點，設計了高效的脈動陣列架構，成功制備了世界首個碳納米管基的張量處理器芯片（如圖1），用于加速卷積神經(jīng)網(wǎng)絡運算。
圖1 基于碳納米管晶體管構建的張量處理器
該碳基張量處理器芯片由3000個碳納米管場效應晶體管構成，可以執(zhí)行2位卷積運算和矩陣乘法運算。采用脈動陣列架構構建，可以并行執(zhí)行2位整數(shù)乘法累加操作，可準確地提取圖像輪廓（圖2）。基于此碳基張量處理器芯片進一步搭建了五層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡，可以執(zhí)行MNIST圖像識別，準確率高達88%，功耗僅為295μW，是所有新型卷積加速硬件技術中的最低功耗（圖3）。系統(tǒng)仿真結果表明，采用180nm技術節(jié)點的碳基晶體管，主頻可以達到850MHz，能量效率超過1TOPS/w，這證明了碳基張量處理器，在面向未來AI應用場景中具有更強的算力和更高的能量效率。
圖2 圖像輪廓提取結果
圖3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡與手寫數(shù)字識別結果
相關研究成果以題為“碳納米管張量處理器”（A carbon-nanotube-based tensor processing unit）的論文，于7月22日在線發(fā)表于《Nature Electronics》，并被Nature Electronics作為熱點工作報導。北京大學電子學院碳基電子學研究中心的司佳助理研究員為該論文的第一作者，彭練矛院士和張志勇教授為通訊作者，北京郵電大學的張盼盼特聘研究員為共同一作。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01211-2
彭練矛教授
中國科學院院士，北京大學電子學院院長。1994年獲首批國家杰出青年科學基金資助，1999年入選首屆教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授。長期從事碳基電子學領域的研究，做出一系列基礎性和開拓性貢獻。四次擔任國家“973計劃”、重大科學研究計劃和重點研發(fā)計劃項目首席科學家。在《科學》《自然》等期刊發(fā)表SCI論文400余篇。相關成果獲國家自然科學二等獎（2010和2016年）、高等學校科學研究優(yōu)秀成果獎（科學技術）自然科學一等獎（2013年）、北京市科學技術一等獎（2004年），入選中國科學十大進展（2011年）、中國高等學校十大科技進展（2000和2017年）、中國十大科技進展新聞（2000和2023年）。個人獲何梁何利基金科學與技術進步獎（2018年）、全國創(chuàng)新爭先獎（2017年）、推動“北京創(chuàng)造”的十大科技人物（2015年）、全國優(yōu)秀博士學位論文指導教師（2009年）、北京大學首屆十佳導師（2013年）等榮譽。
張志勇教授
北京大學電子學院教授，納米器件物理與化學教育部重點實驗室主任，北京大學碳基電子學研究中心副主任。主要從事碳基納米電子學方面的研究，探索基于碳納米管的CMOS集成電路、傳感器和其他新型信息器件技術，并推進碳基信息器件技術的實用化發(fā)展。在Science, Nature electronics等學術期刊上發(fā)表SCI論文200余篇，SCI他引11000余次，H因子56。部分工作獲得中國高校十大科技進展、國家自然科學二等獎、中國科學十大進展。曾入選國家基金委杰出青年基金、國家萬人計劃-科技創(chuàng)新領軍人才、萬人計劃-青年拔尖人才計劃、國家基金委優(yōu)秀青年科學基金。獲得中國青年科技獎、茅以升北京青年科技獎。主持包括國家重點研發(fā)計劃項目等10項國家級項目和5項省部級項目。
司佳 （第一作者）
北京大學電子學院碳基電子學研究中心助理研究員， 2019年于北京大學物理電子所獲得博士學位，主要研究方向為新原理電子器件、存算一體芯片、以及高能效碳基運算電路的研制。主持中國國家自然基金面上項目、K*W 1** **JQ項目、科技部重點研發(fā)項目、新加坡國家研究基金會、新加坡科技研究局等項目，以第一作者在國際頂級學術期刊Nature Electronics、Nature Communications、ACS Nano、IEEE TED上發(fā)表相關研究成果。
張盼盼 （共同第一作者）
北京郵電大學集成電路學院特聘研究員，2017年于北京大學物理電子所取得理學博士學位。主要從事基于后摩爾新型微納電子器件的設計-協(xié)同優(yōu)化設計方法學研究，包括TCAD和SPICE模型開發(fā)、PDK和標準單元庫開發(fā)以及集成電路設計等。在Nature Electronics, Nature Communications, Nano Letter, IEEE TED, APL等雜志和會議上發(fā)表學術論文二十余篇。
