中國碳基AI芯片取得重大突破！北京大學等多家機構組成的團隊，近日开發出一種全新類型的、全球第一款碳納米管TPU芯片，能效極高，功耗極低，超谷歌AI加速器TPU1700倍，更不用說英偉達的GPU了，或成爲解決全球AI能耗瓶頸的關鍵。而最關鍵的是，這項重大突破不僅僅是技術上的，更可能預示着一個碳基AI時代即將來臨。這項研究已發表在7月22日《自然-電子學》雜志上。

　　AI模型的訓練和推理需要處理大量的數據和復雜的計算，雖然英偉達的圖形處理單元（GPU）極爲強悍，迅速佔領了全球AI加速器市場，但谷歌的張量處理單元（TPU）專爲加速深度學習而設計，能效更高更省電，尤其是在AI推理任務中表現卓越。

　　只是谷歌的TPU通常設計爲集群，專門針對谷歌TensorFlow框架進行了優化，主要用於谷歌的雲平台及內部AI應用。而英偉達的GPU更通用，可以與各種深度學習框架無縫集成，所以獲得了更廣泛的應用，知名度更高，以致一芯難求。

　　然而隨着AI應用的規模和復雜性不斷擴大，硅的物理特性限制了其進一步縮小和提升性能的能力，硅基芯片的能效和處理能力已經面臨瓶頸，迫使科學家們不得不尋找新的材料和技術來突破現有限制。

　　碳納米管是一種由碳原子組成的微小管狀結構，具有優異的導電性和機械強度。相比硅基材料，碳納米管電子遷移率更高，开關速度更快，尺寸更小，密度更高，最關鍵的是它能耗極低，並具有極高的機械柔韌性，因而被認爲是可以延續摩爾定律的下一代芯片的有力候選材料。

　　北京大學團隊在這一領域取得了重大突破，开發出了全球首個基於碳納米管晶體管的張量處理單元（TPU）。這款TPU由3000個碳納米管晶體管組成，採用了一種名爲收縮陣列架構的設計，可以像流水线一樣同步處理多個計算任務，大幅提升了計算速度和效率。

　　所謂收縮陣列，是一種處理器網絡，可以有節奏地計算數據並允許數據自由通過，類似於血液在人體中的流動方式，對於處理大量數據的AI模型至關重要。

　　通過封裝在測試印刷電路板上的碳納米管TPU，研究人員構建了一個五層卷積神經網絡，在圖像識別任務中准確率高達88%，而功耗僅爲295μW，是所有新型卷積加速硬件技術中功耗最低的。

　　具體來說，這款碳基TPU的能效高達每瓦一萬億次運算，而谷歌的Edge TPU使用2瓦功率只能達到每秒4萬億次運算，這意味着碳基TPU能效超過了谷歌TPU的1700倍。

　　當然，碳基TPU雖然表現出極高的能效和潛力，但它仍處於早期研發階段，要想在商業應用中全面取代硅基芯片可能還有很長的路要走。碳納米管芯片目前制造復雜性和成本都較高，如何在大規模生產中保持穩定的性能和一致性，也是一個重大挑战。另外現有芯片制造工藝和設備都是以硅爲基礎的，重新打造一個行業無疑更是難上加難。

　　不過隨着技術的進步和成本的降低，碳基芯片無疑將成爲未來高性能計算和AI應用的一個重要方向。硅基到碳基，這是人類科技發展的必然選擇嗎？雖然我們還不知道，但中國科學家的突破，可能已爲我們开發下一代芯片走出了關鍵的一步。

　　參考：

　　Si, J., Zhang, P., Zhao, C. et al. A carbon-nanotube-based tensor processing unit. Nat Electron 7, 684–693 (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01211-2

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標題：中國AI芯片突破！全球首款碳基TPU問世，碳基AI時代或將來臨？

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