中國(guó)科學(xué)家運(yùn)用碳納米管替代傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體，成功研制出一種新型張量處理單元（TPU），這是一款特殊的計(jì)算機(jī)芯片。這款新型芯片或許能為更節(jié)能的人工智能（AI）開(kāi)辟新路徑。?

人工智能模型依賴(lài)大量數(shù)據(jù)，運(yùn)行時(shí)需要龐大的計(jì)算能力，這給機(jī)器學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練與拓展帶來(lái)了巨大阻礙，尤其在人工智能應(yīng)用需求持續(xù)攀升的當(dāng)下。正因如此，科學(xué)家們積極投身于新型組件的研發(fā)，從處理器到計(jì)算內(nèi)存，這些組件旨在運(yùn)行必要計(jì)算時(shí)降低能耗。?

2015年，谷歌科學(xué)家為應(yīng)對(duì)這一難題創(chuàng)建了TPU。這些專(zhuān)用芯片作為張量運(yùn)算的專(zhuān)用硬件加速器，用于執(zhí)行訓(xùn)練和運(yùn)行AI模型所需的復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算。通過(guò)將此類(lèi)任務(wù)從中央處理器（CPU）和圖形處理器（GPU）中分流，TPU讓AI模型能夠更快速、高效完成訓(xùn)練。

然而，與傳統(tǒng)TPU不同的是，這款新型芯片首次采用碳納米管（由碳原子呈六邊形排列構(gòu)成的微小圓柱形結(jié)構(gòu)），取代了硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。這種結(jié)構(gòu)能讓電子（帶電粒子）以極小的阻力通過(guò)，使碳納米管成為極佳的電導(dǎo)體。

據(jù)科學(xué)家介紹，研發(fā)的TPU功耗僅為295微瓦（μW），每瓦可執(zhí)行1萬(wàn)億次操作，這是衡量能源效率的重要指標(biāo)。相比之下，谷歌Edge TPU使用2瓦功率時(shí)，每秒可執(zhí)行4萬(wàn)億次操作（TOPS）。如此一來(lái)，中國(guó)碳基TPU在能源效率上提升了近1700倍。?

新型TPU由3000個(gè)碳納米管晶體管組成，采用收縮陣列架構(gòu)（一種以網(wǎng)格狀排列的處理器網(wǎng)絡(luò)）。脈動(dòng)陣列以同步、循序漸進(jìn)的順序?qū)?shù)據(jù)傳輸至每個(gè)處理器，猶如物品在傳送帶上移動(dòng)一般。這使得TPU能夠通過(guò)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)流，確保每個(gè)處理器同時(shí)處理一小部分任務(wù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多個(gè)計(jì)算的并行執(zhí)行。?

這種并行處理方式能夠加快計(jì)算速度，這對(duì)于處理大量數(shù)據(jù)的AI模型而言至關(guān)重要。TPU還減少了內(nèi)存（特別是靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM））讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的頻率。通過(guò)將這些操作降至最低，新型TPU能夠在降低能耗的同時(shí)，更快速地執(zhí)行計(jì)算。

為了測(cè)試新型芯片的性能，科學(xué)家們構(gòu)建了一個(gè)五層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這是一組模擬人類(lèi)大腦結(jié)構(gòu)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，并將其應(yīng)用于圖像識(shí)別任務(wù)。最終，TPU在保持295μW低功耗的情況下，實(shí)現(xiàn)了88%的準(zhǔn)確率。研究人員表示，未來(lái)類(lèi)似的基于碳納米管的技術(shù)有望為硅基芯片提供更節(jié)能的替代方案。