中國科學(xué)家研制出全球首款碳基AI芯片！

2025年3月，由北京大學(xué)彭練矛院士團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京郵電大學(xué)研制的全球首款碳基AI芯片正式發(fā)布，這標(biāo)志著半導(dǎo)體技術(shù)的重大飛躍，有可能超越傳統(tǒng)硅基芯片的局限性。

研究團(tuán)隊(duì)展示了一款碳納米管(CNT)晶體管芯片，它不僅能夠處理“1”和“0”的數(shù)據(jù)，還能處理第三種狀態(tài)，從而使計(jì)算速度更快、能耗更低。在實(shí)驗(yàn)中，該芯片在圖像識(shí)別任務(wù)中表現(xiàn)出完美的準(zhǔn)確性，這一里程碑成果詳細(xì)發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)雜志的1月刊上。

碳納米管是由石墨烯卷曲而成的微小管狀結(jié)構(gòu)。它們具有優(yōu)異的機(jī)械和電學(xué)性能以及出色的穩(wěn)定性，目前主要用作鋰離子電池中的導(dǎo)電添加劑。

然而，由于其卓越的電學(xué)特性和超薄結(jié)構(gòu)，碳納米管也被視為下一代半導(dǎo)體技術(shù)的有前途的材料。與傳統(tǒng)的硅基芯片相比，碳納米管具有更高的載流子遷移率、更低的功耗以及更小晶體管尺寸的潛力——這些關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)可能有助于克服摩爾定律的極限。摩爾定律預(yù)測(cè)半導(dǎo)體容量每兩年翻一番。

為了測(cè)試新芯片的功能，研究人員通過模仿人類大腦神經(jīng)元之間的連接構(gòu)建了一個(gè)能夠?qū)W習(xí)和推理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

大量實(shí)驗(yàn)表明，基于 CNT 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在對(duì)手寫數(shù)字進(jìn)行分類時(shí)實(shí)現(xiàn)了完美的準(zhǔn)確率，展示了其在圖像識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)等人工智能應(yīng)用中的巨大潛力。

首席研究員之一、中國科學(xué)院院士彭練矛，對(duì)碳基芯片技術(shù)的研究已有二十多年。他的團(tuán)隊(duì)在開發(fā)高性能碳納米管和實(shí)現(xiàn)對(duì)納米管陣列的精確控制方面取得了顯著進(jìn)展。2020年，他們制作出了8英寸的CNT晶圓，其集成電路性能優(yōu)于類似的硅基器件。這一成果鞏固了我國在全球碳基半導(dǎo)體技術(shù)研究領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

新芯片不僅效率高，而且穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)，非常適合用于高性能計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能和低功耗存儲(chǔ)設(shè)備。它還可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備，其中能源效率是一個(gè)關(guān)鍵因素。

盡管具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但碳納米管芯片在集成密度方面仍落后于傳統(tǒng)硅芯片。例如，Nvidia于2025年1月發(fā)布的RTX 5090 GPU 包含驚人的 920 億個(gè)晶體管，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了 CNT 技術(shù)目前的能力。

然而，碳基芯片的開發(fā)被視為半導(dǎo)體技術(shù)的下一個(gè)前沿，而中國目前在這場(chǎng)競(jìng)賽中處于領(lǐng)先地位。

彭練矛對(duì)碳納米管芯片的未來表示樂觀，并表示最終目標(biāo)是在未來10到15年內(nèi)讓碳納米管芯片成為主流。如果成功，這項(xiàng)技術(shù)可以取代超級(jí)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)中心、智能手機(jī)和其他電子設(shè)備等廣泛應(yīng)用中的硅基芯片。這一轉(zhuǎn)變將標(biāo)志著半導(dǎo)體行業(yè)的重大轉(zhuǎn)變，為高性能、低功耗計(jì)算解決方案的新時(shí)代鋪平道路。

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