我国研制出世界首个碳纳米管张量处理器芯片：高性能、高能效

IT之家 7 月 22 日消息，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，在下一代芯片技术领域取得重大突破，成功研发出世界首个基于碳纳米管的张量处理器芯片（TPU）。

该芯片由 3000 个碳纳米管场效应晶体管组成，能够高效执行卷积运算和矩阵乘法。该芯片采用了新型器件工艺和脉动阵列架构，可实现并行的 2 位整数乘积累加运算。实验表明，基于该 TPU 的五层卷积神经网络可以在功耗仅为 295μW 的情况下，实现高达 88% 的 MNIST 图像识别准确率。

研究团队通过优化碳纳米管制造工艺，获得了纯度高达 99.9999% 的半导体材料和超洁净表面，从而制造出具有高电流密度和均匀性的晶体管。模拟结果显示，采用 180 纳米工艺节点的 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。

这一成果标志着碳纳米管技术在芯片领域取得重大进展，有望满足人工智能时代对高性能、高能效芯片的需求。

IT之家注意到，相关研究成果 7 月 22 日已发表于《自然・电子学》。北京大学电子学院碳基电子学研究中心的司佳助理研究员为该论文的第一作者，彭练矛院士和张志勇教授为通讯作者，北京邮电大学张盼盼特聘研究员为共同第一作者。

打破摩尔定律，首款碳纳米管通用计算芯片问世！网友：这是绝技

乾明 边策 发自 凹非寺

量子位 报道 | 公众号 QbitAI

“Hello, World！I am RV16XNano, made from CNTs”.

“你好，世界！我是 RV16XNano，由碳纳米管制成。”

这句话，出自MIT研究团队发明的16位碳纳米管芯片执行的程序。

是的，你没有看错，他们用与硅相同的制作工艺，基于碳纳米管做出了具有完整架构的芯片，还与世界打了招呼。

刚刚，Nature刊发了这一研究成果，并发表相应的新闻、评论进行重点推荐。

碳纳米管，被认为是替代硅材料首选，而且比硅导电更快，效率更高。

从理论上来说，效率达到硅的10倍，运行速度为3倍，而仅仅只需要消耗三分之一的能源。

而且，它还有更加广泛的用途。一些科学家认为，碳纳米管也可以用来制作可注射入体内的微型芯片，或杀死人体内癌细胞的纳米机器，前景不可估量。

但碳纳米管也存在一系列设计、制造和功能上的问题，比如“疯狂的成长“，很难将其放在特定的位置，使其发挥特定的作用。

在巨大的前景与潜力面前，这些问题正在被克服。

2013年，斯坦福大学制造出了第一台碳纳米管计算机，只有178个晶体管。

现在，归属于MIT的研究团队造出RV16X-NANO ，有14000 个晶体管。

6年提高近80倍，速度是摩尔定律的5倍。

在接受Nature杂志采访时，上海交通大学的孙亚男教授表示，“这项工作向前迈出了一大步，更接近于商用芯片。”

科技媒体ArsTechnica也给出评论，说这是一项令人印象深刻的工作。

相对来说，网友给出的评论则没有那么克制：

This is a stunt - but it’s a pretty cool stunt

这是一个绝技，而且是一个非常酷的绝技

“驯服”碳纳米管

虽然相比硅晶体有很多优点，但是用碳纳米管来制作芯片存在着许多问题。

首先，虽然碳纳米管是一种半导体，但它的制造过程需要用到金属，由此制造的碳纳米管不可避免地会混入金属杂质。如果要获得净化的半导体版本，需要将纯度水平在提高到99.999999％ ，在当前的技术条件下几乎是不可能的。

而且，碳纳米管不会自然形成p型或n型半导体。在硅中，这些特性是通过掺杂 少量其他元素来实现。但碳纳米管非常小，难以掺杂。

另外一个问题是，制作电子元器件需要将纳米管放置在极其精确的位置上。科学家们现在还没有掌握让它们在特定位置生长的方法。因此不得不分别制作，然后让它们沉淀在表面上。

不幸的是，这个过程通常会产生一个随机取向的纳米管薄膜，由大量碳纳米管聚集而成，并且其中会混入一些金属纳米管。

MIT的研究人员和亚德诺半导体公司的科学家找到了解决所有这些问题的方法。

研究人员提出了一种名为DREAM 的技术，把对碳纳米管严格的纯度要求放宽了大约1万倍，这意味着纯度达到99.99％即可制作芯片，这在目前的技术下是可行的。

制造碳纳米管芯片首先是解决排列混乱的问题。研究人员制造了一个足够大、具有金属特征的硅表面，可以保证纳米管在金属间隙之间生长。

为了去除聚集体，他们在纳米管上沉积了一层材料，然后通过超声将其破碎。这种材料会带走聚集体，但不会使下层的纳米管受到干扰。

接下来，为了将纳米管限制在需要的地方，研究人员只要将大部分的纳米管蚀刻掉，留下需要的部分。

然后，研究人员使用原子沉积的技术将金属氧化物附着再纳米管上。不同的金属氧化物性质不同，可以根据需要将纳米管转化为p型或n型半导体。这个过程类似于硅晶体的掺杂，而且可以有效地控制各个pn结的行为。

从晶体管到芯片

由此制造的元件被称作碳纳米管场效应晶体管 （CNFET），与金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）类似，它是构建下一代计算机的基本单元。

芯片的功能由逻辑门的组合来实现，而通过CNFET的组合可以构造出逻辑门。

△ 用碳纳米管制成的反相器

研究人员希望降低某些逻辑运算对金属纳米管的敏感度。因此他们修改了一个开源RISC设计工具来考虑这些问题，让芯片设计中没有对金属碳纳米管最敏感的栅极。

由此制造的芯片称为RV16X-NANO，使用RISC-V架构的32位长指令。存储器寻址限制为16位，功能单元包括指令获取、解码、寄存器、执行单元和写回存储器。

总体而言，RV16X-NANO使用了超过14000个单独的晶体管，碳纳米管产率为100%。也就是说，这14000个晶体管每个都有效，没有一个报废。

RV16X-NANO也是一个3D芯片，纳米管层下面的金属触点用于在不同晶体管之间传递信号，而而纳米管上方的单独金属触点用于供电。

改进空间

RV16X-NANO芯片里晶体管通道长度约为1.5微米，相当于硅芯片中的Intel 80386，这款处理器于1985年推出。

80386的运行频率为16MHz，而碳纳米管计算机最大频率仅为1MHz。造成这种差异的原因在于电子元件的电容以及晶体管可以承载的电流量。

硅晶体管每微米宽度可承载大约1毫安的电流（1mA/μm），而碳纳米管晶体管只能承载约6μA/μm的电流。这是在未来版本的计算机中需要改进的地方。

增加电流的第一步是减小晶体管沟道长度。2个碳纳米管的沟道长度可以缩小到5nm。

第二步是将每个通道中纳米管的密度从每微米10个增加到每微米500个。新的沉积技术可将这种网络中的电流密度提升至1.7mA/μm 。

第三步是减小晶体管的宽度，从而减小源极和漏极的宽度，这将使电极更快地充电和放电。

6年前的团队再出手

这一研究有两个一作，分别是Gage Hills和Christian Lau；通讯作者为Max M. Shulaker；都来自MIT。

其中，Max M. Shulaker和Gage Hills是2013年第一台碳纳米管计算机研究成果第一作者和第二作者。当时，他们还在斯坦福大学读博士。

这次取得的进展，建立在这一研究的基础上。

2016年7月，Max M. Shulaker加入MIT，担任助理教授，继续开展碳纳米管相关的研究。目前，Gage Hills是MIT的博士后研究员，负责大部分芯片的设计工作。

Christian Lau，是MIT的硕士研究生，负责大部分芯片的制造工作。

此外，作者中还有两位来自亚德诺半导体。据悉，这家公司是这项研究的支持方之一。

根据MIT的报道，Shulaker的下一步目标是将芯片推向现实世界。

他说，现在已经不是一个是和否的问题，而是何时的问题。

为了达到这个目的，他们已经通过美国DARPA的一个项目将技术应用到了硅芯片代工厂中，践行研究。

至于碳纳米管制成的芯片什么时候能够商用，没有人能够给出一个确切的时间。

但Shulaker表示，可能不到五年。

论文传送门：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1493-8

— 完 —

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