انقلاب دانشمندان چینی در صنعت نیمه هادی؛ ساخت پردازشگرهای ویژه هوش مصنوعی با ترانزیستورهای با نانولوله کربنی

تا پیش از این در اغلب موارد از پردازنده‌های ساخته شده با ترانزیستورهای FinFET برای پردازش عملیات هوش مصنوعی استفاده می‌شد. راهکار دانشمندان چینی برای اولین بار استفاده از پردازنده‌های تنسوری برای این عملیات را پیشنهاد می‌کند؛ راهکاری که در صورت موفقیت تولید انبوه می‌تواند به مثابه انقلابی در این حوزه تلقی گردد.

ورود به آزمایشگاه‌های نیمه‌هادی در چین تقریباً غیرممکن است، اما در اقدامی جالب توجه به تازگی نتایج یک پژوهش مهم توسط دانشمندان چینی برای ساخت نسل جدیدی از پردازشگرهای تانسوری مهم به اشتراک گذاشته شده که بسیار قابل توجه است. در همین راستا، وبسایت Tom’s Hardware  با استناد به داده‌هایی که توسط وبسایتTechXplore  به اشتراک گذاشته شده، پیرامون مقاله‌ای از پژوهشگران دانشگاه Peking مطلبی را منتشر نموده که ادعا می‌کنند اولین واحد پردازش تنسوری (TPU) با استفاده از ترانزیستورهای نانولوله کربنی را ساخته‌اند.

معرفی ترانزیستورهای GAAFET

قبل از بررسی این دستاورد، بهتر است کمی درباره ترانزیستورهای نانولوله کربنی و اهمیت آن‌ها صحبت کنیم. ترانزیستورهای نانولوله کربنی (CNT) اساساً ترانزیستورهای اثر میدانی از نوع Gate All Around (GAA FET) هستند که می‌توانند در طیف گسترده‌ای از کاربردها مورد استفاده قرار گیرند و ویژگی‌هایی نظیر کنترل بهینه بر عملکرد و مصرف انرژی و کاهش نشتی جریان را انجام دهند.

ترانزیستورهای GAA FET نوع پیشرفته‌ای از ترانزیستورهای اثر میدانی یا همان FETها هستند که در آن‌ها گیت به صورت کاملاً محاصره‌کننده در اطراف کانال قرار گرفته است. این طراحی باعث می‌شود که کنترل بهتری بر جریان عبوری از کانال داشته باشیم، که نتیجه‌اش کاهش نشتی جریان و بهبود کارایی ترانزیستور است. به‌خاطر همین ویژگی‌ها، ترانزیستورهای GAA FET در فرآیندهای تولید پیشرفته، به‌ویژه در فناوری‌های ۳ نانومتری و پایین‌تر، به کار گرفته می‌شوند و به شرکت‌هایی مانند سامسونگ، اینتل و TSMC کمک می‌کنند تا عملکرد و بهره‌وری انرژی تراشه‌ها را بهبود بخشند. این ترانزیستورها، با ساختار چندگانه گیت، مسیر را برای پیشرفت‌های بیشتر در کاهش هر چه بیشتر ابعاد و افزایش کارایی مدارهای مجتمع باز می‌کنند.

سامسونگ از مدت‌ها پیش از ترانزیستورهای  GAAFETدر فرآیندهای تولید کلاس ۳ نانومتری خود استفاده کرده، اما این فناوری تاکنون تنها در تراشه‌های ساده استخراج ارزهای دیجیتال به کار رفته است. اینتل نیز از GAA FET‌ها برای پردازنده‌های خود در فرآیند 20A استفاده می‌کند، در حالی که TSMC قصد دارد این ترانزیستورها را در فرآیند N2 خود که از نیمه دوم سال ۲۰۲۵ به تولید انبوه می‌رسد، به‌کار گیرد.

استفاده از GAAFET در ساخت TPU

با استفاده از فناوری ساخت تراشه‌های ویژه با ترانزیستورهای با نانولوله‌های کربنی، محققان دانشگاه پکن یک TPU کوچک ساخته‌اند که اولین واحد پردازش تنسوری جهان با این نوع ترانزیستورها است. ژی یانگ ژانگ، یکی از نویسندگان مقاله در همین زمینه گفته است:

ما نخستین تراشه پردازشگر تنسوری دنیا را بر پایه نانولوله‌های کربنی با موفقیت ساخته‌ و در آن از پیشرفت سریع کاربردهای AI و همچنین TPU گوگل الهام گرفتیم. از ChatGPT تا Sora، هوش مصنوعی در حال ایجاد یک انقلاب است، اما فناوری نیمه‌هادی سیلیکونی سنتی به طور فزاینده‌ای قادر به برآورده کردن نیازهای پردازشی داده‌های کلان نیست. ما راه‌حلی برای این چالش جهانی یافته‌ایم.

این TPU با معماری آرایه سیستولیک ساخته شده که امکان اجرای عملیات موازی ضرب و جمع اعداد صحیح ۲ بیتی را فراهم می‌کند.

یک شبکه عصبی پیچشی پنج‌لایه با استفاده از این TPU می‌تواند به دقت ۸۸ درصد در تشخیص تصاویر MNIST دست یابد، در حالی که تنها ۲۹۵ میکرووات انرژی مصرف می‌کند. این کار به لطف فرآیند ساخت بهینه نانولوله که خلوص نیمه‌رسانای 99.9999% و سطوح ultra-clean را تضمین می‌کند، ممکن شده و منجر به ساخت ترانزیستورهایی با چگالی جریان بالا و عملکرد پایدار می‌شود.

طبق اطلاعات منتشر شده توسط این تیم، شبیه‌سازی‌های سطح سیستم این پردازشگر نشان می‌دهد که یک TPU هشت بیتی ساخته‌شده با ترانزیستورهای نانولوله کربنی در فناوری 180 نانومتری، می‌تواند با فرکانس ۸۵۰ مگاهرتز عمل کرده و بهره‌وری انرژی معادل ۱ تریلیون عملیات در ثانیه به ازای هر وات داشته باشد.

پژوهشگران چینی معتقدند که می‌توان از طریق تنظیم دقیق تراز  GAA FET‌ها، کاهش اندازه ترانزیستورها، و افزایش ظرفیت بیت واحد پردازشی، کارایی و توان محاسباتی تراشه را به صورت قابل توجهی ارتقا داد. ادغام این TPU با منطق  CMOS (ترانزیستورهای اکسید فلزی مکمل) نیز راه دیگری برای بهبودهای احتمالی است.

با توجه به اینکه این TPU با فناوری 180 نانومتری ساخته شده، کاربرد عملی آن در حال حاضر محدود است. با این حال، استفاده از یک مدار TPU کارآمد به محققان این امکان را می‌دهد تا فناوری فرآیند را بهبود بخشند که برای توسعه توانایی‌های نیمه‌هادی چین اهمیت زیادی دارد.