顛覆現有技術路徑，中國團隊打造世界最快閃存

你是否遇到過這樣的時刻——剛寫了一半的文章，還沒來得及保存，電腦突然自動關機。等重新啓動時，只能對着空白文檔懊惱地嘆氣，提醒自己下次及時保存。

要是關機時能夠自動保存就好了！復旦大學教授周鵬、青年研究員劉春森團隊研製的“破曉（PoX）”皮秒閃存器件，有望在不遠的將來解除這個困擾。

該團隊顛覆現有閃存技術路徑，突破了信息存取速度極限，能夠滿足人工智能（AI）對極高算力和能效的要求，助力AI大模型極速運行。4月16日，相關研究發表於《自然》。

電荷超注入皮秒閃存器件工作機制。

十年求索，一路繁花

無論電腦還是手機，都有“運行內存”和“機身內存”兩套存儲系統，前者操作速度快，但容量小，一旦斷電，數據就全部清空，學術界稱之為“易失性存儲器”；後者容量大，即便突然拔掉電源也無需擔心數據丟失問題，但運行速度極慢。它們有一個學名，叫作“非易失性存儲器”。

長久以來，為了能夠同時滿足操作速度和存儲容量的要求，易失性存儲器和非易失性存儲器需要配合工作——由易失性存儲器負責文檔編輯、圖片處理等工作，再由非易失性存儲器保存修改後的信息。

人們早已習慣了這一運行模式。隨着信息存儲技術發展，越來越多的寶貴經驗得以保留，為信息時代的繁榮奠定了基礎。

然而，在“大數據”驅動的AI時代，現有分級存儲架構已無法滿足計算芯片對極高算力和能效的需求。

“針對AI計算的算力與能效的要求，信息存取速度直接決定算力上限，而非易失性存儲技術是實現超低功耗的關鍵。因此，破局點在於解決集成電路領域最關鍵的基礎科學問題，即信息的非易失存取速度極限。”劉春森告訴《中國科學報》。

二維材料因其獨特的物理性質，兼具導體、半導體和絕緣體特性，在微縮集成電路、提升穩定性及開發新型存儲器方面潛力巨大。

早在10年前，周鵬團隊就開始佈局，着手突破現有存儲技術瓶頸，研發兼具現有兩類存儲器優勢的第三類存儲技術。2015年，劉春森來到復旦大學攻讀博士學位，師從周鵬，開始嘗試用二維半導體材料製作存儲器。

“這項成果是我們團隊的‘十年之約’。”劉春森説，“過去10年，團隊聚焦信息存取速度極限，深耕以閃存為代表的非易失性存儲技術，不斷實現運行速度的提升。”

2018年，團隊設計出由多重二維材料堆疊構成的半浮柵結構晶體管，並構築得到了二維半導體準非易失性存儲原型器件，寫入速度比當時的U盤快1萬倍，破解了“寫入速度”與“非易失性”難以兼得的難題。

此後，團隊進一步優化存儲器結構，不斷提升閃存速度，2021年、2023年、2024年相繼取得突破性進展。

其中，2024年，團隊在國際上首次實現了最大規模1Kb納秒超快閃存陣列集成驗證，並證明其超快特性可延伸至亞10納秒。這一超小尺寸器件具備20納秒超快編程、10年非易失、10萬次循環壽命和多態存儲性能，單一器件循環壽命達800萬次。

這次，團隊從底層機制進行創新，研製的“破曉”皮秒閃存器件擦寫速度達亞1納秒（400皮秒），即每秒可以工作25億次，與計算機芯片的工作速度（每秒10億～30億次）相當。此外，器件的工作電壓低於5伏，未來有望進一步降低，在能耗方面極具優勢。

“‘破曉’是目前世界最快的半導體電荷存儲器件，性能超越同技術節點下最快的易失性存儲SRAM技術。”回顧過去10年，周鵬感慨，“在取得這項顛覆性成果的過程中，我們在沿途採摘了很多不同的鮮花。”

論文主要完成人，從左至右分別為周鵬、劉春森、王寵、向昱桐。 復旦大學供圖

打破常規，突破邊界

隨着研究不斷深入，團隊逐漸意識到，在現有框架下，閃存速度很難實現顛覆性突破。2020年，基於前期積累，團隊決心打破現有體系，從物理第一性原理出發，突破閃存存取的速度邊界。

2023年6月，復旦大學2022級博士研究生向昱桐接下這個課題；3個月後，2023級博士研究生王寵也參與到這項工作中。

對兩位“00後”而言，最大的挑戰在於轉變思維方式。“我們要做一個全新架構，沒辦法參考已有理論，因此很容易陷入原有思維，跳不出傳統閃存技術的框架。”他們坦言。

為了測試閃存速度，二人着實費了一番工夫。“實驗室之前的設備只能支持測量納秒級別的閃存，而‘破曉’的速度達到400皮秒，我們想了很多辦法才研製出能夠滿足高速測試要求的設備。”向昱桐表示。

經過不斷摸索，團隊在腦海中逐漸搭建起一套全新的存儲器理論框架，最終“破曉”驚豔亮相。

“我們首先通過構建準二維泊松模型，理論預測了無極限超注入的新路徑。”劉春森解釋，“傳統硅閃存電荷注入存在峯值，這是限制其速度加快的根本原因。我們結合二維狄拉克能帶結構與彈道輸運特性，實現溝道電荷向存儲層的超注入，表現為無限注入。”

電荷注入指通過物理手段將電子注入存儲器的存儲單元，從而實現數據寫入。在讀取數據時，通過檢測電流變化來判讀存儲的是“0（有電荷）”還是“1（無電荷）”。

在現有技術框架下，儘管可以通過加大電壓，以能耗換效率的方式提高閃存注入速度，但隨着電荷注入逼近峯值，高電壓能夠起到的正面作用變得十分有限。

“傳統閃存就像‘爬’樓梯，由於人的體力有限，無論如何分配，平均速度肯定快不了。無極限超注入新機制則可以理解為坐火箭‘飛’，速度實現了極大的提升。”劉春森説。

破曉時刻，曙光初現

周鵬常對劉春森説：“硅技術積累了太多專利壁壘，我們要聚焦前沿另闢蹊徑，用新材料實現技術突破，在集成電路基礎製造上走下去、再走下去。”

實驗室從“0到1”的突破固然令人激動，但更重要的還是用之於民。團隊的初心始終是通過二維半導體材料和技術的更新，解決行業痛點，助力集成電路產業發展。

目前，團隊正以“破曉”原型器件為起點，加速推進皮秒閃存器件的產業化。

“我們在同步開展一項Kb級小規模量產工作。”劉春森介紹，“結合標準CMOS工藝，我們成功獲得了可支持高速讀寫、存儲的皮秒閃存器件，這類器件同時具備AI相關的矩陣運算能力。”

值得一提的是，“破曉”存儲器件的穩定性高度依賴工藝流程的一致性，通過AI算法對工藝測試條件進行科學優化，能夠推動技術創新與落地。

“這項高速非易失閃存技術有望重塑全球存儲技術格局，推動產業升級並催生全新應用場景，還將為我國實現技術引領提供強有力支撐。”周鵬表示。

因此，周鵬把這一皮秒閃存器件命名為“破曉”——“破”和“皮秒”的“皮”諧音，同時破曉是一天中曙光初現的時刻。“我們希望，這項技術可以幫助中國半導體產業度過黎明前最黑暗的那段時光。”

（《中國科學報》見習記者 江慶齡）