蘇州納米所趙建文團隊受邀在《自然·電子學》(Nature Electronics)上發(fā)表評述論文
隨著先進集成電路技術節(jié)點不斷推進，進一步完善現(xiàn)有工藝能力來提高傳統(tǒng)硅基芯片的算力和能效愈發(fā)困難。為應對后摩爾時代硅基電子電路所面臨的重大挑戰(zhàn)，研究新材料、新原理、新結構、新器件和新架構等變得愈加迫切。低維半導體溝道材料（如碳納米管和二維材料等）具有優(yōu)越的電學性能和超薄結構以及可低溫和大面積制備等特點，使得低維半導體電子器件，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抗輻照以及光、電、傳感等多功能方面的優(yōu)勢），有望成為構建未來多功能、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，不僅需要開發(fā)高純半導體碳納米管薄膜和與之匹配的器件工藝制程以便構筑數(shù)量龐大且性能均一的碳納米管晶體管器件，同時需要發(fā)展全新的系統(tǒng)架構。
近日，中國科學院蘇州納米所趙建文團隊在Nature Electronics上發(fā)表了題為Carbon nanotubes:?Hardware accelerators based on nanotube transistors的News & Views論文，介紹并評論了北京大學彭練矛院士和張志勇教授研究團隊的最新研究成果——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.)。中國科學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。
北京大學彭練矛院士和張志勇教授研究團隊利用高純半導體碳納米管薄膜構筑出性能均一的碳納米管晶體管，結合高效的脈動陣列架構設計，研制出首款基于3000個碳納米管晶體管構筑的TPU，并實現(xiàn)了高性能和高能效的卷積神經網絡運算功能。開發(fā)的碳納米管TPU通過3×3處理單元陣列和二維收縮數(shù)組架構，有效加速卷積神經網絡計算并顯著降低系統(tǒng)的能耗。該TPU利用并行2位整數(shù)乘法累加操作，并通過現(xiàn)場可編程門陣列（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)行卷積神經網絡復雜計算任務時展現(xiàn)出優(yōu)越特性，如實現(xiàn)100%正確率的圖像輪廓提取和88%高準確率的手寫數(shù)字識別功能等。該團隊通過仿真結果預測碳基神經網絡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構筑碳基電子基本元件或邏輯單元，并進一步縮減器件尺寸，提升制程工藝水平，有望把碳基神經網絡加速芯片能效提高到1?TOPS/W。本評述文章對北京大學研究團隊開發(fā)的碳納米管TPU的性能和潛在應用價值給予了高度評價。同時文章指出，碳納米管晶體管應用技術仍處于研究和發(fā)展階段，要想完全實現(xiàn)潛在應用，仍有諸多關鍵技術需亟待解決。
圖1. 由3000個碳納米管晶體管構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，開展碳/硅3D異質融合芯片技術研究不僅能夠推動后摩爾時代技術（如More than Moore和Beyond Moore）的發(fā)展，也將加速碳基芯片技術創(chuàng)新突破和產業(yè)化應用進程。
為了開發(fā)碳/硅異質融合芯片技術所需的碳基功能電子器件和集成電路，近年來，趙建文團隊一直聚焦于超低功耗、寬波段響應以及具有優(yōu)異存儲特性的碳基光電和多感官神經形態(tài)器件、碳/硅異質融合集成技術、碳基3D集成電路和抗輻照CMOS電路等方面研究，并在相關研究領域取得重要研究進展。如2024年已開發(fā)多種高性能碳基與光敏半導體異質集成技術、碳基3D集成技術以及碳基電路抗輻照加固技術，研制出超低功耗的視覺（紫外-近紅外寬波段響應）、視-嗅多感官感知和超長存儲特性的碳基光電神經形態(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)等國際著名刊物上。以上前期工作為碳/硅3D異質融合功能芯片技術的發(fā)展奠定了良好基礎。???
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