2025年3月，由北京大学彭练矛院士团队联合北京邮电大学研制的全球首款碳基AI芯片正式发布，这标志着半导体技术的重大飞跃，有可能超越传统硅基芯片的局限性。
研究团队展示了一款碳纳米管(CNT)晶体管芯片，它不仅能够处理“1”和“0”的数据，还能处理第三种状态，从而使计算速度更快、能耗更低。在实验中，该芯片在图像识别任务中表现出完美的准确性，这一里程碑成果详细发表在《科学进展》(Science Advances)杂志的1月刊上。
碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的微小管状结构。它们具有优异的机械和电学性能以及出色的稳定性，目前主要用作锂离子电池中的导电添加剂。
然而，由于其卓越的电学特性和超薄结构，碳纳米管也被视为下一代半导体技术的有前途的材料。与传统的硅基芯片相比，碳纳米管具有更高的载流子迁移率、更低的功耗以及更小晶体管尺寸的潜力——这些关键优势可能有助于克服摩尔定律的极限。摩尔定律预测半导体容量每两年翻一番。
为了测试新芯片的功能，研究人员通过模仿人类大脑神经元之间的连接构建了一个能够学习和推理的神经网络。
大量实验表明，基于 CNT 的神经网络在对手写数字进行分类时实现了完美的准确率，展示了其在图像识别和机器学习任务等人工智能应用中的巨大潜力。
首席研究员之一、中国科学院院士彭练矛，对碳基芯片技术的研究已有二十多年。他的团队在开发高性能碳纳米管和实现对纳米管阵列的精确控制方面取得了显著进展。2020年，他们制作出了8英寸的CNT晶圆，其集成电路性能优于类似的硅基器件。这一成果巩固了我国在全球碳基半导体技术研究领域的领先地位。
新芯片不仅效率高，而且稳定性高、抗干扰能力强，非常适合用于高性能计算、机器学习、人工智能和低功耗存储设备。它还可应用于物联网 (IoT) 设备，其中能源效率是一个关键因素。
尽管具有诸多优点，但碳纳米管芯片在集成密度方面仍落后于传统硅芯片。例如，Nvidia于2025年1月发布的RTX 5090 GPU 包含惊人的 920 亿个晶体管，远远超过了 CNT 技术目前的能力。
然而，碳基芯片的开发被视为半导体技术的下一个前沿，而中国目前在这场竞赛中处于领先地位。
彭练矛对碳纳米管芯片的未来表示乐观，并表示最终目标是在未来10到15年内让碳纳米管芯片成为主流。如果成功，这项技术可以取代超级计算机、数据中心、智能手机和其他电子设备等广泛应用中的硅基芯片。这一转变将标志着半导体行业的重大转变，为高性能、低功耗计算解决方案的新时代铺平道路。
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