北大张志勇团队突破碳基集成电路瓶颈，成功研制世界首个碳纳米管张量处理器芯片
北大张志勇团队突破碳基集成电路瓶颈，成功研制世界首个碳纳米管张量处理器芯片
北京大学电子学院张志勇教授团队在碳基集成电路领域取得重大突破，成功研发出世界首个基于碳纳米管的张量处理器芯片。这一成果不仅展示了碳基电子技术在人工智能时代的巨大潜力，也为未来高能效运算芯片的发展开辟了新路径。
突破性成果：世界首个碳纳米管张量处理器芯片
随着人工智能技术的飞速发展，特别是大模型应用的兴起，未来世界将面临数据爆炸式增长的挑战。这要求芯片在算力和能量效率方面实现重大突破。然而，传统的硅基技术正遭遇芯片架构和晶体管性能的双重瓶颈。
张志勇团队基于碳纳米管晶体管这一新型器件技术，结合高效的脉动阵列架构设计，成功制备了世界首个碳纳米管基的张量处理器芯片。该芯片采用2bit MAC（乘累加单元），3微米工艺技术节点，共集成了3000个碳纳米管晶体管。
这一创新设计实现了图像轮廓识别、提取等功能，图像轮廓提取正确率高达100%。通过脉动阵列架构设计，芯片可实现高效的数据复用，大大节约了张量运算所需的数据存储和搬运操作，精准匹配了神经网络的运算特点。
在实际应用中，该芯片搭建了5层卷积神经网络，实现了手写数字识别的应用，理论正确率达90%，实际正确率达86%。更令人瞩目的是，该芯片的功耗仅为295µW，器件总数也为新型卷积加速硬件中的最低值。
碳基技术的优势与未来前景
面向未来AI应用场景的碳基神经网络加速芯片，具有更强的算力和更高的能量效率。仿真结果显示，使用180nm碳基技术进行流片加工时，芯片可在1V电压下工作，最高主频达850MHz，能效可达1TOPS/w，远高于其他技术。
这一突破充分证明了碳基集成电路在未来高能效运算芯片领域的应用潜力。碳纳米管晶体管展现出超越商用硅基晶体管的性能和功耗潜力，有望成为构建未来高效能运算芯片的主要器件技术。
推动产业化：提出碳纳米管材料标准
为了推动碳基集成电路的产业化进程，张志勇教授课题组还与浙江大学金传洪教授课题组合作，从高性能电子器件和集成电路角度，对A-CNT材料进行深入研究与系统分析，提出了精细的要求和标准。
研究团队对90 nm、22 nm、7 nm、3 nm技术节点的A-CNT FET的电学性能进行预测，并基于未来集成电路对晶体管性能的要求，提出对阵列碳纳米管密度的要求。研究结果表明，相同节点下，A-CNT CMOS器件相比于硅基CMOS器件展现出4-6倍的能量延时积（EDP）优势。
此外，团队还对目前A-CNT中存在的形貌缺陷进行表征，讨论各形貌缺陷对晶体管电学性能波动的影响，并结合集成电路对器件均一性的要求，对碳管形貌提出要求。在此基础上，提出了电子级A-CNT材料的标准，包括碳管密度、直径、长度、半导管纯度、取向、相邻管间距变化等关键参数。
展望：碳基集成电路的未来
这一系列突破性成果标志着碳基集成电路技术正从实验室走向产业化。随着工艺水平的进一步提升和器件尺寸的持续缩减，碳基神经网络加速芯片有望在更多领域得到应用，为人工智能时代的计算需求提供更强大的支持。
相关研究成果已发表于Nature Electronics等顶级期刊，得到了国家重点研发计划、北京市重点研发计划、国家自然科学基金等支持，展现了中国在下一代芯片技术领域的创新实力。