近日，北京邮电大学集成电路学院特聘研究员张盼盼和北京大学电子学院碳基电子学研究中心彭练矛-张志勇教授团队合作，研制出世界首款碳纳米管张量处理器芯片（TPU）。北京时间7月22日，相关成果以“A carbon-nanotube-based tensor processing unit”为题，发表于国际学术期刊《Nature Electronics》。

   北京大学碳基电子学研究中心助理研究员司佳和北京邮电大学集成电路学院特聘研究员张盼盼为论文共同第一作者。

研究团队通过不断优化碳纳米管器件制造工艺和引入设计-工艺协同优化（DTCO）全流程，制备出高性能和高一致性的碳纳米管场效应晶体管。该TPU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。

图1：碳基张量处理器芯片5层卷积神经网络性能对比示意图

通过碳基场效应晶体管建模、标准单元库K库和设计综合等标准流程，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。设计-工艺协同优化全流程使得器件及电路性能得到显著提升，为未来更高能效的后摩尔电子器件及集成电路的实现提供了崭新的思路。

集成电路学院

2024年7月23日