北京大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在碳基集成電路領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

　　隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是ChatGPT等大模型應(yīng)用的崛起，未來世界的數(shù)據(jù)呈爆發(fā)式增長，海量數(shù)據(jù)的處理對(duì)芯片的算力和能量效率提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。然而，高能效計(jì)算芯片的發(fā)展正遭遇芯片架構(gòu)、晶體管性能兩個(gè)重大瓶頸：傳統(tǒng)的馮諾依曼架構(gòu)已經(jīng)無法滿足高速、高帶寬的數(shù)據(jù)搬運(yùn)和處理需求，未來的高能效運(yùn)算芯片必須在硬件架構(gòu)上進(jìn)行革新，以適用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等模型的張量數(shù)據(jù)運(yùn)算。與此同時(shí)，構(gòu)建芯片的硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管，也進(jìn)入了尺寸縮減、功耗劇增的困境，亟需發(fā)展超薄、高載流子遷移率的半導(dǎo)體作為溝道材料，期望構(gòu)建比硅基CMOS晶體管具有更好可縮減性和更高性能的晶體管。碳納米管具有優(yōu)異的電學(xué)特性和超薄結(jié)構(gòu)，碳納米管晶體管已經(jīng)展現(xiàn)出超越商用硅基晶體管的性能和功耗潛力，因此有望成為構(gòu)建未來高效能運(yùn)算芯片的主要器件技術(shù)。只有在系統(tǒng)架構(gòu)和底層晶體管兩個(gè)方面共同實(shí)現(xiàn)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術(shù)的運(yùn)算芯片主要依賴于架構(gòu)的創(chuàng)新，而基于新材料電子器件的研究，主要集中在提升晶體管的性能，尚未有研究工作將二者結(jié)合起來。
 

　　北京大學(xué)電子學(xué)院、碳基電子學(xué)研究中心彭練矛院士-張志勇教授聯(lián)合課題組，基于碳納米管晶體管這一新型器件技術(shù)，結(jié)合高效的脈動(dòng)陣列架構(gòu)設(shè)計(jì)，成功制備了世界首個(gè)碳納米管基的張量處理器芯片(如圖1)，可實(shí)現(xiàn)高能效的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算。
 

圖1 基于碳納米管晶體管構(gòu)建的張量處理器
 

　　該芯片采用2bit MAC(乘累加單元)，3微米工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)，共集成了3000個(gè)碳基晶體管，可實(shí)現(xiàn)圖像輪廓識(shí)別、提取等功能，圖像輪廓提取正確率高達(dá)100%(如圖2)。
 

圖2 圖像輪廓提取結(jié)果
 

　　通過脈動(dòng)陣列架構(gòu)設(shè)計(jì)，芯片可實(shí)現(xiàn)高效地?cái)?shù)據(jù)復(fù)用(如圖3)，大大節(jié)約了張量運(yùn)算所需的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、搬運(yùn)等操作，精準(zhǔn)匹配了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算特點(diǎn)。
 

圖3 脈動(dòng)陣列架構(gòu)與數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)
 

　　在此基礎(chǔ)上搭建了5層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了手寫數(shù)字識(shí)別的應(yīng)用，其理論正確率90%，實(shí)際正確率可達(dá)86%，與此同時(shí)，該芯片的功耗僅為295µW，器件總數(shù)也為新型卷積加速硬件中的最低值。
 

圖4 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與手寫數(shù)字識(shí)別結(jié)果
 

　　面向未來AI應(yīng)用場景的碳基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速芯片，具有更強(qiáng)的算力和更高的能量效率。進(jìn)一步提升工藝水平，縮減器件尺寸，可使用180nm碳基技術(shù)進(jìn)行流片加工。仿真結(jié)果表示，碳基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速芯片可在1V電壓下工作，可運(yùn)行的最高主頻為850MHz，能效可以達(dá)到1TOPS/w，遠(yuǎn)高于其他技術(shù)，充分證明了碳基集成電路在未來高能效運(yùn)算芯片領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
 

　　相關(guān)研究成果以題為“碳納米管張量處理器”(A carbon-nanotube-based tensor processing unit)的論文，于7月22日在線發(fā)表于Nature Electronics。北京大學(xué)電子學(xué)院、碳基電子學(xué)研究中心的司佳助理研究員為該論文的第一作者，彭練矛和張志勇為通訊作者，北京郵電大學(xué)張盼盼特聘研究員為共同第一作者，合作單位包括北京郵電大學(xué)集成電路學(xué)院、湘潭大學(xué)湖南先進(jìn)傳感與信息技術(shù)創(chuàng)新研究院和北京元芯碳基集成電路研究院。
 

　　上述研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和北京大學(xué)微納加工實(shí)驗(yàn)室的支持。
 

　　原標(biāo)題：電子學(xué)院張志勇、彭練矛團(tuán)隊(duì)在碳基集成電路領(lǐng)域取得重要進(jìn)展