A-Train The Seven
...'cause for once, I didn't hate myself.
Mặc dù tiếp cận các phòng thí nghiệm bán dẫn của Trung Quốc là điều gần như bất khả thi, nhưng các nhà khoa học nước này vẫn có xu hướng chia sẻ kết quả nghiên cứu của họ. TechXplore mới đây đã phát hiện một bài báo của các nhà nghiên cứu tại Đại học Bắc Kinh, trong đó tuyên bố đã chế tạo thành công bộ xử lý tensor (TPU) đầu tiên trên thế giới sử dụng transistor ống nano carbon.
Trước khi đi sâu vào chi tiết thành tựu này, hãy cùng tìm hiểu về transistor ống nano carbon và tầm quan trọng của chúng. Transistor ống nano carbon (CNT) về cơ bản là transistor hiệu ứng trường "gate-all-around" (GAA FET), có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và sở hữu những ưu điểm vượt trội như khả năng kiểm soát hiệu suất và năng lượng tốt hơn, dòng rò rỉ thấp hơn. Samsung đã và đang sử dụng GAAFET trong quy trình sản xuất chip 3nm, nhưng cho đến nay, tiến trình này mới chỉ được ứng dụng cho các loại chip khai thác tiền điện tử khá đơn giản. Intel sử dụng GAA FET cho CPU được sản xuất trên tiến trình 20A, trong khi TSMC sẽ áp dụng transistor GAA cho tiến trình N2, dự kiến đi vào sản xuất hàng loạt vào nửa cuối năm 2025.
Sử dụng công nghệ chế tạo dựa trên CNT hoặc GAAFET, các nhà nghiên cứu tại Đại học Bắc Kinh đã chế tạo thành công một TPU cỡ nhỏ, đánh dấu sự ra đời của bộ xử lý tensor đầu tiên trên thế giới sử dụng loại transistor này.
"Chúng tôi đã tạo ra một bộ xử lý tensor (TPU) dựa trên 3.000 transistor hiệu ứng trường ống nano carbon, có khả năng thực hiện các phép toán tích chập và nhân ma trận hiệu quả năng lượng", trích đoạn mô tả của bài báo được đăng tải trên tạp chí Nature. "TPU được xây dựng dựa trên kiến trúc m ảng systolic, cho phép thực hiện các phép toán nhân tích lũy số nguyên 2 bit song song".
Một mạng nơ-ron tích chập 5 lớp sử dụng TPU này có thể đạt độ chính xác lên đến 88% trong nhận dạng hình ảnh MNIST, trong khi chỉ tiêu thụ 295 µW năng lượng. Điều này có được là nhờ quy trình chế tạo ống nano được tối ưu hóa, đảm bảo độ tinh khiết bán dẫn 99,9999% và bề mặt siêu sạch, cho phép tạo ra các transistor có mật độ dòng điện bật cao và hiệu suất ổn định. Mô phỏng cấp hệ thống cho thấy, một TPU 8 bit được xây dựng bằng transistor ống nano trên tiến trình 180nm có thể hoạt động ở tần số chính 850 MHz và đạt hiệu suất năng lượng 1 tera-hoạt động mỗi giây trên mỗi watt.
Các nhà nghiên cứu tin rằng hiệu suất của TPU có thể được cải thiện hơn nữa. Bằng cách tinh chỉnh cách sắp xếp các GAA FET, giảm kích thước transistor và tăng dung lượng bit của bộ xử lý, hiệu suất và khả năng tính toán của chip có thể được nâng cao hơn nữa. Việc tích hợp TPU với CMOS (bán dẫn oxit kim loại bổ sung) là một hướng đi khác để cải thiện tiềm năng.
Cần lưu ý rằng chúng ta đang nói về GAA FET được triển khai trên tiến trình 180nm, do đó khả năng ứng dụng thực tế của TPU này còn hạn chế. Tuy nhiên, với việc tạo ra được mạch TPU hoạt động được, các nhà nghiên cứu Trung Quốc có thể tiếp tục tinh chỉnh công nghệ chế tạo, yếu tố cực kỳ quan trọng cho sự phát triển ngành bán dẫn nước này.
Trước khi đi sâu vào chi tiết thành tựu này, hãy cùng tìm hiểu về transistor ống nano carbon và tầm quan trọng của chúng. Transistor ống nano carbon (CNT) về cơ bản là transistor hiệu ứng trường "gate-all-around" (GAA FET), có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực và sở hữu những ưu điểm vượt trội như khả năng kiểm soát hiệu suất và năng lượng tốt hơn, dòng rò rỉ thấp hơn. Samsung đã và đang sử dụng GAAFET trong quy trình sản xuất chip 3nm, nhưng cho đến nay, tiến trình này mới chỉ được ứng dụng cho các loại chip khai thác tiền điện tử khá đơn giản. Intel sử dụng GAA FET cho CPU được sản xuất trên tiến trình 20A, trong khi TSMC sẽ áp dụng transistor GAA cho tiến trình N2, dự kiến đi vào sản xuất hàng loạt vào nửa cuối năm 2025.
Sử dụng công nghệ chế tạo dựa trên CNT hoặc GAAFET, các nhà nghiên cứu tại Đại học Bắc Kinh đã chế tạo thành công một TPU cỡ nhỏ, đánh dấu sự ra đời của bộ xử lý tensor đầu tiên trên thế giới sử dụng loại transistor này.
"Chúng tôi đã tạo ra một bộ xử lý tensor (TPU) dựa trên 3.000 transistor hiệu ứng trường ống nano carbon, có khả năng thực hiện các phép toán tích chập và nhân ma trận hiệu quả năng lượng", trích đoạn mô tả của bài báo được đăng tải trên tạp chí Nature. "TPU được xây dựng dựa trên kiến trúc m ảng systolic, cho phép thực hiện các phép toán nhân tích lũy số nguyên 2 bit song song".
Một mạng nơ-ron tích chập 5 lớp sử dụng TPU này có thể đạt độ chính xác lên đến 88% trong nhận dạng hình ảnh MNIST, trong khi chỉ tiêu thụ 295 µW năng lượng. Điều này có được là nhờ quy trình chế tạo ống nano được tối ưu hóa, đảm bảo độ tinh khiết bán dẫn 99,9999% và bề mặt siêu sạch, cho phép tạo ra các transistor có mật độ dòng điện bật cao và hiệu suất ổn định. Mô phỏng cấp hệ thống cho thấy, một TPU 8 bit được xây dựng bằng transistor ống nano trên tiến trình 180nm có thể hoạt động ở tần số chính 850 MHz và đạt hiệu suất năng lượng 1 tera-hoạt động mỗi giây trên mỗi watt.
Các nhà nghiên cứu tin rằng hiệu suất của TPU có thể được cải thiện hơn nữa. Bằng cách tinh chỉnh cách sắp xếp các GAA FET, giảm kích thước transistor và tăng dung lượng bit của bộ xử lý, hiệu suất và khả năng tính toán của chip có thể được nâng cao hơn nữa. Việc tích hợp TPU với CMOS (bán dẫn oxit kim loại bổ sung) là một hướng đi khác để cải thiện tiềm năng.
Cần lưu ý rằng chúng ta đang nói về GAA FET được triển khai trên tiến trình 180nm, do đó khả năng ứng dụng thực tế của TPU này còn hạn chế. Tuy nhiên, với việc tạo ra được mạch TPU hoạt động được, các nhà nghiên cứu Trung Quốc có thể tiếp tục tinh chỉnh công nghệ chế tạo, yếu tố cực kỳ quan trọng cho sự phát triển ngành bán dẫn nước này.
