一周前沿科技盘点〔105〕丨面向未来AI应用场景的碳基神经网络加速芯片问世；人工智能时代，数据“跑得快”还得“存得上”

随着人工智能技术的飞速发展，尤其是ChatGPT等大模型应用的崛起，未来世界的数据呈爆发式增长，海量数据的处理对芯片的算力和能量效率提出了严峻挑战。碳纳米管具有优异的电学特性和超薄结构,碳纳米管晶体管已经展现出超越商用硅基晶体管的性能和功耗潜力，因此有望成为构建未来高效能运算芯片的主要器件技术。北京大学电子学院在碳纳米管晶体管的系统架构和底层晶体管两个方面共同实现突破，成功制备了世界首个碳纳米管基的张量处理器芯片。

人工智能的飞速发展迫切需要高速非易失存储技术。当前主流非易失闪存的编程速度多为百微秒级，复旦大学团队开发了超界面工程技术，在国际上首次实现了最大规模1Kb 纳秒超快闪存阵列集成验证，并证明了其超快特性可延伸至亚10纳米。

基于国际科技创新中心网络服务平台科创热榜每日榜单形成的一周科技记忆，我们推出《一周前沿科技盘点》专栏。今天，为大家带来第105期。

1《Nature Electronics》丨面向未来AI应用场景的碳基神经网络加速芯片问世

卷积神经网络与手写数字识别结果

近日，北京大学电子学院、碳基电子学研究中心彭练矛院士-张志勇教授联合课题组基于碳纳米管晶体管技术，结合高效的脉动阵列架构设计，制备出世界首个碳纳米管基的张量处理器芯片，可实现高能效的卷积神经网络运算。该芯片采用2bit MAC（乘累加单元），3微米工艺技术节点，共集成了3000个碳基晶体管，可实现图像轮廓识别、提取等功能，图像轮廓提取正确率高达100%。

这种面向未来AI应用场景的碳基神经网络加速芯片，具有更强的算力和更高的能量效率。进一步提升工艺水平，缩减器件尺寸，可使用180nm碳基技术进行流片加工。仿真结果表示，碳基神经网络加速芯片可在1V电压下工作，可运行的最高主频为850MHz，能效可达1TOPS/w，展现了碳基集成电路在未来高能效运算芯片领域的应用潜力。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41928-024-01211-2

2《Nature Electronics》丨人工智能时代，数据“跑得快”还得“存得上”

超快闪存集成工艺和统计性能

人工智能的飞速发展迫切需要高速非易失存储技术。当前主流非易失闪存的编程速度多为百微秒级，而复旦大学周鹏-刘春森团队开发了超界面工程技术，在规模化二维闪存中实现了具备原子级平整度的异质界面，在国际上首次实现了最大规模1Kb 纳秒超快闪存阵列集成验证，并证明了其超快特性可延伸至亚10纳米。

同时，研究团队研发了不依赖先进光刻设备的自对准工艺，结合原始创新的超快存储叠层电场设计理论，实现了沟道长度为8纳米的超快闪存器件，是当前国际最短沟道闪存器件，并突破了硅基闪存物理尺寸极限（约15纳米）。在原子级薄层沟道支持下，这一超小尺寸器件具备20纳秒超快编程、10年非易失、十万次循环寿命和多态存储性能。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41928-024-01229-6

3《PNAS》丨七亿年自转减速史：地月演化与生物演化的奥秘揭晓

地球阶梯式自转减速影响的潮汐和地球系统的演化

（研究团队联合四川省诗书画院罗婧文画家共同创作）

在地质历史时期，地月引力产生的潮汐作用使得地球自转减速现象一直存在，但那时候地球自转减速的变化是否和现今一样呢？

成都理工大学沉积地质研究院马超带领大数据沉积团队与法国天文学家雅克·拉斯卡尔团队及来自德国、爱尔兰的地质学家联合攻关2年解答了这个问题。他们结合地质记录和天文计算，首次重建出过去7亿年至2亿年地球自转减慢的过程。其研究对重建地—月系统的演化历史、探究地球自转减速的气候、环境、生物演化等方面具重要意义。

研究团队发现，在过去7亿年至2亿年前，地月距离增加了约20000公里，日长增加了约2.2小时。另外，地球自转不是平稳减慢，而是阶梯状减速的演化模式，即“快—慢”“快—慢”。两次“快—慢”的转折分别发生在5.5亿年前和2.5亿年前，这两个时期正好对应了寒武纪生命大爆发和地球历史最大的生物大灭绝事件，这两个主要“快—慢”减速期可能为早期海洋生态系统的演化提供了必要的条件。其研究也表明，当地球自转速度减缓到一定程度时（即：一天的时长大于23小时45分时），潮汐耗散作用将不占主导地位。

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2317051121

4《Science Advances》丨生物质高值化，两步并一步

生物质（Biomass）是通过光合作用而形成的各种有机体，它涵盖植物、动物和微生物等所有有生命的、可以生长的有机物质。生物质高值化是将可再生的生物质资源通过先进的技术手段转化为高附加值的产品或能源，以实现资源的最大化利用和降低环境污染。这一领域对于提高资源利用效率、促进生态可持续发展具有重要意义。但生物质复杂稳定的结构阻碍了其高效定向转化。光催化技术反应条件温和，且借助太阳能驱动，并能有效实现生物质结构中特定化学键的断裂与生成，从而将生物质高选择性地转化为高值化学品和燃料。但目前光催化技术仍局限于利用太阳光谱中的紫外光和可见光，占太阳光谱约一半的近红外光难以利用，这就限制了系统的能量转化效率。

东南大学能源与环境学院肖睿、张会岩领衔的清洁能源研究团队设计了一种高效近红外光催化系统，可促进生物质资源定向转化。该系统以5-羟甲基糠醛（HMF）转化为研究模型，发现近红外光下直接生成高价值化工原料5-甲酰基-2-呋喃甲酸（FFCA），相比紫外或可见光下主要生成中间产物2，5-二甲酰呋喃（DFF），实现了从两步到一步的高效转化，且FFCA产率高、选择性强。其研究表明，此现象归因于近红外光下的光热协同催化效应，确保了产物的高度特异性。此外，该系统对原生生物质（如桦木）及其他生物质衍生物同样展现出显著的定向转化能力，为生物质资源的高效光催化转化开辟了新路径。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn9441

5《Neuron》丨科学家发现脑钙化新疗法，有望缓解老龄化疾病负担

ASO疗法的干预原理示意图

人类社会的老龄化以及预期寿命延长伴随的衰老相关疾病的负担显著上升。机体的衰老过程中，骨骼钙丢失引起骨质疏松，而血管与大脑内出现的异位钙化是心血管疾病与脑功能障碍的重要原因。脑钙化老年人群发生率高达20%，高于阿尔兹海默症、帕金森氏症等疾病。生理性脑钙化斑块较小且进展缓慢；而病理性脑钙化症发病早，进展快，或出现严重的神经与精神症状，如运动障碍、言语不清、头痛、头晕、抑郁等。部分脑钙化患者呈现高度家族性遗传。代表性的原发性家族性脑钙化症患病率近0.6%，通常在40岁至60岁之间发病。目前，临床上对于脑钙化的治疗策略主要为对症治疗，尚无基于病理机制的有效干预手段。

中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心熊志奇联合福建医科大学附属第一医院陈万金、临港实验室程学文开展研究。他们发现，调控脑内磷酸根浓度的关键基因同时是脑钙化主要致病基因SLC20A2的新型可变剪接调节机制，并据此开发了反义寡聚核苷酸疗法（ASO）。此ASO药物通过增强脑内磷酸根的转运效能，降低脑内磷酸根离子的浓度，遏制钙化发生，可改善脑钙化的相关症状。这一成果标志着我国科学家在脑钙化症的基因治疗领域取得了进展。（专栏作者 李潇潇）

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2024.07.013

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