北大彭练矛团队突破：碳纳米管晶体管引领未来芯片技术
北大彭练矛团队突破：碳纳米管晶体管引领未来芯片技术
北京大学电子学院张志勇、彭练矛团队在碳基集成电路领域取得重要进展。他们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，3微米工艺技术节点，共集成了3000个碳基晶体管，可实现图像轮廓识别、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，芯片可实现高效地数据复用，大大节约了张量运算所需的数据存储、搬运等操作，精准匹配了神经网络的运算特点。
在手写数字识别应用中，该芯片的理论正确率为90%，实际正确率达86%，与此同时，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。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。进一步提升工艺水平，缩减器件尺寸，可使用180nm碳基技术进行流片加工。仿真结果表示，碳基神经网络加速芯片可在1V电压下工作，可运行的最高主频为850MHz，能效可以达到1TOPS/w，远高于其他技术，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。
这一突破性成果发表在Nature Electronics上，展示了碳纳米管晶体管在高性能计算和人工智能应用中的巨大潜力。碳纳米管作为一种新型材料，具有优异的电学特性和超薄结构，其电子迁移率远高于硅材料，能够实现更快的开关速度和更低的功耗。此外，碳纳米管晶体管还具有更高的集成度和更好的可缩减性，为突破传统硅基芯片的性能瓶颈提供了新的可能。
在国际竞争日益激烈的背景下，这一技术突破具有重要意义。美国财政部近期出台“对外投资规则”，对特定技术领域的对外投资进行严格监管，涉及集成电路设计、制造、封装等多个环节。这表明碳纳米管晶体管等先进技术已成为国际竞争的焦点。随着2025年半导体行业迎来重大变革，2nm工艺将在台积电、三星和英特尔之间展开竞争，新材料如二维材料和碳纳米管将带来新的机遇。中国在半导体设备领域有望取得突破，逐步缩小与国际先进水平的差距。
彭练矛教授团队的研究成果不仅展示了碳纳米管晶体管在高性能计算和人工智能应用中的巨大潜力，也为我国在芯片研制技术上赶超国际先进水平提供了新的可能。随着技术的不断演进与应用的不断扩展，我们有理由相信，碳纳米管晶体管将在未来的信息技术发展中发挥重要作用。