蘇州納米所趙建文團(tuán)隊(duì)受邀在《自然·電子學(xué)》(Nature Electronics)上發(fā)表評(píng)述論文
隨著先進(jìn)集成電路技術(shù)節(jié)點(diǎn)不斷推進(jìn),進(jìn)一步完善現(xiàn)有工藝能力來(lái)提高傳統(tǒng)硅基芯片的算力和能效愈發(fā)困難。為應(yīng)對(duì)后摩爾時(shí)代硅基電子電路所面臨的重大挑戰(zhàn),研究新材料、新原理、新結(jié)構(gòu)、新器件和新架構(gòu)等變得愈加迫切。低維半導(dǎo)體溝道材料(如碳納米管和二維材料等)具有優(yōu)越的電學(xué)性能和超薄結(jié)構(gòu)以及可低溫和大面積制備等特點(diǎn),使得低維半導(dǎo)體電子器件,尤其是碳基電子器件(如其展現(xiàn)出高性能、超低功耗、短溝道天然免疫和超強(qiáng)抗輻照以及光、電、傳感等多功能方面的優(yōu)勢(shì)),有望成為構(gòu)建未來(lái)多功能、高效能芯片的核心器件。為獲得高性能、高能效和高密度的碳納米管集成電路和芯片,不僅需要開(kāi)發(fā)高純半導(dǎo)體碳納米管薄膜和與之匹配的器件工藝制程以便構(gòu)筑數(shù)量龐大且性能均一的碳納米管晶體管器件,同時(shí)需要發(fā)展全新的系統(tǒng)架構(gòu)。
近日,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所趙建文團(tuán)隊(duì)在Nature Electronics上發(fā)表了題為Carbon nanotubes:?Hardware accelerators based on nanotube transistors的News & Views論文,介紹并評(píng)論了北京大學(xué)彭練矛院士和張志勇教授研究團(tuán)隊(duì)的最新研究成果——全球首款碳納米管TPU(A carbon-nanotube-based tensor processing unit,Nature Electronics,2024,https://doi.org/10.1038/s41928-024-01211-2.)。中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所碩士研究生康凱翔和吳凌志為該論文的第一和第二作者,李敏博士和趙建文研究員為通訊作者。
北京大學(xué)彭練矛院士和張志勇教授研究團(tuán)隊(duì)利用高純半導(dǎo)體碳納米管薄膜構(gòu)筑出性能均一的碳納米管晶體管,結(jié)合高效的脈動(dòng)陣列架構(gòu)設(shè)計(jì),研制出首款基于3000個(gè)碳納米管晶體管構(gòu)筑的TPU,并實(shí)現(xiàn)了高性能和高能效的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算功能。開(kāi)發(fā)的碳納米管TPU通過(guò)3×3處理單元陣列和二維收縮數(shù)組架構(gòu),有效加速卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算并顯著降低系統(tǒng)的能耗。該TPU利用并行2位整數(shù)乘法累加操作,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)執(zhí)行激活等,從而優(yōu)化了數(shù)據(jù)處理流程,使得碳納米管TPU在執(zhí)行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜計(jì)算任務(wù)時(shí)展現(xiàn)出優(yōu)越特性,如實(shí)現(xiàn)100%正確率的圖像輪廓提取和88%高準(zhǔn)確率的手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別功能等。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)仿真結(jié)果預(yù)測(cè)碳基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速芯片能效仍有大幅提升空間,即采用高密度定向排列的碳納米管薄膜來(lái)構(gòu)筑碳基電子基本元件或邏輯單元,并進(jìn)一步縮減器件尺寸,提升制程工藝水平,有望把碳基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速芯片能效提高到1?TOPS/W。本評(píng)述文章對(duì)北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的碳納米管TPU的性能和潛在應(yīng)用價(jià)值給予了高度評(píng)價(jià)。同時(shí)文章指出,碳納米管晶體管應(yīng)用技術(shù)仍處于研究和發(fā)展階段,要想完全實(shí)現(xiàn)潛在應(yīng)用,仍有諸多關(guān)鍵技術(shù)需亟待解決。

圖1. 由3000個(gè)碳納米管晶體管構(gòu)筑的碳納米管張量處理單元(TPU)
文章最后指出,由于碳納米管功能電子器件和CMOS電路與硅基芯片具有極佳的兼容性,開(kāi)展碳/硅3D異質(zhì)融合芯片技術(shù)研究不僅能夠推動(dòng)后摩爾時(shí)代技術(shù)(如More than Moore和Beyond Moore)的發(fā)展,也將加速碳基芯片技術(shù)創(chuàng)新突破和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。
為了開(kāi)發(fā)碳/硅異質(zhì)融合芯片技術(shù)所需的碳基功能電子器件和集成電路,近年來(lái),趙建文團(tuán)隊(duì)一直聚焦于超低功耗、寬波段響應(yīng)以及具有優(yōu)異存儲(chǔ)特性的碳基光電和多感官神經(jīng)形態(tài)器件、碳/硅異質(zhì)融合集成技術(shù)、碳基3D集成電路和抗輻照CMOS電路等方面研究,并在相關(guān)研究領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展。如2024年已開(kāi)發(fā)多種高性能碳基與光敏半導(dǎo)體異質(zhì)集成技術(shù)、碳基3D集成技術(shù)以及碳基電路抗輻照加固技術(shù),研制出超低功耗的視覺(jué)(紫外-近紅外寬波段響應(yīng))、視-嗅多感官感知和超長(zhǎng)存儲(chǔ)特性的碳基光電神經(jīng)形態(tài)器件和陣列,部分研究成果已發(fā)表在ACS Nano(2024, 18, 14298-14311), Advanced Science (2024,?11, 2401794), Nano Letters (2024, 24, 7688-7697), International Journal Extreme Manufacturing (2024, IJEM-111584.R1, accepted), Small Methods (2024, 8, 2400359),?Science China-Information Sciences?(2024, 67(9),192401:1-14.), Applied Materials Today (2024, 38, 102234)和Talanta?(2024, 276, 126285)等國(guó)際著名刊物上。以上前期工作為碳/硅3D異質(zhì)融合功能芯片技術(shù)的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。???
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