北大张志勇团队突破碳纳米管技术，智能设备迎来性能革命

北大张志勇团队突破碳纳米管技术，智能设备迎来性能革命

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https://www.sohu.com/a/795995089_174933

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https://finance.sina.com.cn/tech/internet/2025-02-01/doc-inehxxhk9630720.shtml

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近日，北京大学电子学院张志勇教授课题组在碳纳米管晶体管领域取得重大突破，成功研发出世界首个基于碳纳米管的张量处理器芯片。这一创新性成果不仅展现了碳纳米管技术在高性能计算领域的巨大潜力，更为未来智能设备的性能提升开辟了新的路径。

该张量处理器芯片集成了3000个碳纳米管晶体管，采用先进的脉动阵列架构设计。这种架构能够实现高效的数据复用，显著降低数据存储和搬运的需求，完美匹配神经网络的运算特点。在具体性能方面，该芯片在功耗仅为295微瓦的情况下，实现了高达88%的图像识别准确率。

更值得一提的是，碳纳米管晶体管展现出比传统硅基CMOS晶体管更优的性能。在180纳米技术节点下，碳基张量处理器的性能是硅基CMOS的三倍，且具有延续至更先进工艺节点的潜力。仿真结果显示，采用180纳米工艺的8位碳纳米管TPU，有望达到850 MHz的主频和每瓦1万亿次运算的能效水平，远超现有技术。

随着人工智能技术的飞速发展，尤其是ChatGPT等大模型应用的崛起，未来世界的数据将呈爆发式增长，海量数据的处理对芯片的算力和能量效率提出了严峻挑战。然而，高能效计算芯片的发展正遭遇芯片架构、晶体管性能两个重大瓶颈：传统的冯·诺依曼架构已经无法满足高速、高带宽的数据搬运和处理需求，未来的高能效运算芯片必须在硬件架构上进行革新，以适用于神经网络等模型的张量数据运算。同时，构建芯片的硅基互补金属氧化物半导体晶体管也处于尺寸缩减、功耗剧增的困境，亟须发展超薄、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。

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，因此有望成为构建未来高效能运算芯片的主要器件技术。只有在系统架构和底层晶体管两个方面共同实现突破，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术的运算芯片主要依赖于架构的创新，而基于新材料电子器件的研究，主要集中在提升晶体管的性能，尚未有研究工作将二者结合起来。

碳纳米管张量处理器芯片的低功耗特性，对于移动设备、物联网设备等对能耗有严格要求的应用场景具有重要意义。随着5G、物联网等技术的普及，对低功耗、高性能计算芯片的需求将更加迫切，碳纳米管TPU的出现恰逢其时。

然而，任何一项新技术的推广和应用都不会一帆风顺。碳纳米管TPU在实现商业化之前，还需要克服生产工艺的规模化、成本控制、以及与现有技术的兼容性等挑战。但可以预见的是，随着研究的深入和技术的成熟，这些问题将逐步得到解决。

张志勇教授表示：“我们的研究不仅超越了硅基CMOS，还为未来高性能数字集成电路的发展指明了方向。”这一突破性成果已发表在国际顶级期刊《自然·电子学》上，标志着碳纳米管技术正逐步走向实际应用。随着研究的深入和工艺的完善，碳纳米管晶体管有望在不久的将来，成为推动智能计算发展的重要力量。

这一突破不仅展示了碳纳米管技术在芯片制造上的重大进展，更为解决当前芯片技术面临的瓶颈问题提供了新的思路和解决方案。随着人工智能技术的不断进步，我们有理由相信，碳纳米管TPU将在不久的将来，成为推动智能计算发展的重要力量。