北大彭练矛院士、张志勇教授团队，再发Nature Electronics！

北京大学彭练矛院士和张志勇教授团队在碳纳米管电子学领域再次取得重大突破。 近日， 他们在Nature Electronics上发表题为“A carbon-nanotube-based tensor processing unit”的论文 ，报道了一种基于3000个碳纳米管场效应晶体管的张量处理单元（TPU）。

这项研究是彭练矛团队长期致力于碳基集成电路研究的最新成果。 自2007年提出非掺杂制备碳纳米管CMOS器件的方法以来，该团队在这一领域持续创新。 2017年，他们在Science上发文，首次制备了5 nm技术节点的顶栅碳纳米管场效应晶体管。 2020年，团队再次在Science发文，展示了高密度、高纯度碳纳米管阵列的制备技术，为推进碳基集成电路的实用化奠定了基础。

最新的研究中，彭练矛和张志勇团队设计了一种新型的TPU，采用脉动阵列架构 ，能够高效执行卷积运算和矩阵乘法。该TPU由3x3处理元件（PE）阵列、控制模块和输入/输出多路复用器组成，总共包含约3000个碳纳米管场效应晶体管（CNT FET）。每个PE均设计为执行2位整数乘法累加（MAC）运算。

研究团队通过优化的纳米管制造工艺，实现了99.9999%的半导体纯度和超洁净表面，使晶体管具有高导通电流密度和均匀性。 基于TPU的五层卷积神经网络在MNIST图像识别任务中实现了88%的准确率，功耗仅为295μW。 通过系统级模拟，作者估计采用180 nm技术节点的纳米管晶体管制成的8位TPU可达到850 MHz的主频率和每秒每瓦1万亿次操作的能效。

这项研究展示了碳纳米管在构建高性能、低功耗计算单元方面的巨大潜力。 与传统硅基技术相比，碳纳米管TPU在能效和性能方面都显示出显著优势。 彭练矛院士曾表示：“我们在碳基集成电路这条路上走了20年，还没有看到什么令我们觉得走不下去的障碍。” 这一成果再次证明了碳纳米管电子学的广阔前景。

彭练矛和张志勇团队的研究不仅推动了碳基电子学的发展，也提升了中国在先进电子材料领域的国际地位。他们的工作为未来集成电路技术的发展提供了新的思路和方向，有望在人工智能、大数据处理等领域带来革命性的突破。随着研究的深入和产业化进程的推进，碳纳米管电子学有望成为“后摩尔时代”半导体技术的重要发展方向。