碳基电子技术：下一个科技风口？

碳基电子技术：下一个科技风口？

随着硅基半导体技术逐渐接近物理极限，碳基电子技术作为后摩尔时代的重要候选技术，近年来受到广泛关注。碳基电子技术主要利用碳纳米管等碳基材料制作电子器件，凭借其优异的电学特性，在数字集成电路、射频电子、传感器等领域展现出巨大应用前景。

碳基电子技术相比传统的硅基技术具有显著优势。碳纳米管具有超高的电子迁移率，是硅材料的10倍以上，这意味着碳基晶体管可以实现更快的开关速度和更高的工作频率。同时，碳纳米管的厚度仅为硅材料的十分之一，能够有效减少短沟道效应，提高器件的可缩减性。此外，碳基器件还具有更低的功耗，是硅基器件的十分之一，这在当前追求绿色计算的大背景下尤为重要。

北京大学电子学院、碳基电子学研究中心彭练矛-张志勇团队在碳基电子技术领域取得重大突破。该团队基于碳纳米管晶体管这一新型器件技术，结合张量运算的特点，设计了高效的脉动阵列架构，成功制备了世界首个碳纳米管基的张量处理器芯片。

该碳基张量处理器芯片由3000个碳纳米管场效应晶体管构成，可以执行2位卷积运算和矩阵乘法运算。采用脉动阵列架构构建，可以并行执行2位整数乘法累加操作，可准确地提取图像轮廓。基于此碳基张量处理器芯片进一步搭建了五层卷积神经网络，可以执行MNIST图像识别，准确率高达88%，功耗仅为295µW，是所有新型卷积加速硬件技术中的最低功耗。

这一突破性成果发表在《Nature Electronics》上，展示了碳基张量处理器在面向未来AI应用场景中具有更强的算力和更高的能量效率。

尽管碳基电子技术展现出巨大潜力，但仍面临一些挑战。首先是高质量阵列碳纳米管的大面积低成本制备问题，目前主要在小尺寸晶圆上实现高纯度和高密度的碳纳米管阵列，如何在更大尺寸晶圆上实现均匀生长是一个亟待解决的问题。其次是器件稳定性和均一性问题，碳纳米管的直径、手性等因素会影响其电学性能，如何控制这些因素以获得性能一致的器件是一个挑战。此外，还需要建立完善的集成电路设计所需的EDA平台，以及制定材料指标、表征方法、工艺流程标准。

尽管面临诸多挑战，但碳基电子技术的前景依然广阔。预计到2030年，全球碳纳米管市场规模将达到数十亿美元。随着研究的深入和技术的突破，碳基电子技术有望在数字集成电路、射频通信、传感器、柔性电子、显示驱动和光电集成等领域实现广泛应用，为未来的智能社会提供更强大的算力支持。