Китайские ученые заявляют о прорыве в области транзисторов на углеродных нанотрубках

Прежде чем перейти к тому, чего удалось достичь, давайте немного поговорим о транзисторах на углеродных нанотрубках и о том, почему они важны. Транзисторы из углеродных нанотрубок (CNT) — это, по сути, универсальные полевые транзисторы (GAA FET), которые могут применяться практически ко всему и обладают всеми качествами, которые можно ожидать от GAA-транзистора, такими как улучшенный контроль производительности и мощности и снижение токов утечки. Samsung уже некоторое время использует GAAFET со своими техпроцессами 3-нм класса, но до сих пор этот производственный узел использовался для производства довольно простых чипов для майнинга криптовалют. Intel использует полевые транзисторы GAA для процессоров, производимых на ее узле 20A, в то время как TSMC примет транзисторы GAA по технологии N2, которые поступят в массовое производство во второй половине 2025 года.

Используя этот технологический процесс с использованием CNT или GAAFET, исследователи из Пекинского университета построили небольшой TPU, первый в мире тензорный процессор с использованием транзисторов такого типа.

«Мы сообщаем о тензорном процессоре (TPU), который основан на 3000 полевых транзисторах на углеродных нанотрубках и может выполнять энергоэффективные операции свертки и матричного умножения», — говорится в описании статьи, опубликованной Nature. «TPU сконструирован с архитектурой cистолического массива, которая позволяет выполнять параллельные операции умножения-накопления 2–битных целых чисел».

Пятислойная сверточная нейронная сеть, использующая этот TPU, может достигать точности до 88% в распознавании изображений MNIST при потреблении энергии всего 295 мкВт. Это стало возможным благодаря оптимизированному процессу изготовления нанотрубок, который обеспечивает чистоту полупроводников на уровне 99,9999% и сверхчистые поверхности, в результате чего получаются транзисторы с высокой плотностью включенного тока и стабильной производительностью. Моделирование на системном уровне предполагает, что 8-разрядный TPU, построенный на нанотрубчатых транзисторах с технологическим узлом 180 нм, может работать на основной частоте 850 МГц и достигать энергоэффективности в 1 тераоперация в секунду на ватт.

Исследователи полагают, что производительность TPU может быть улучшена еще больше. Считается, что за счет точной настройки расположения полевых транзисторов GAA, уменьшения размера транзисторов и увеличения разрядности процессора эффективность чипа и вычислительная мощность могут быть увеличены еще больше. Интеграция TPU с дополнительной логикой металл-оксид-полупроводник (CMOS) — еще один путь потенциального улучшения.

Учитывая, что мы говорим о полевых транзисторах GAA, реализованных с использованием техпроцесса класса 180 нм, практическая применимость этого TPU, мягко говоря, невелика. Однако, используя рабочую схему из ТПУ, исследователи теперь могут усовершенствовать технологию процесса, что чрезвычайно важно для дальнейшего развития китайских полупроводниковых технологий.