世界最快闪存在中国“破晓”
■中国科学报见习记者 江庆龄
你是否遇到过这样的时刻——刚写了一半的文章,还没来得及保存,电脑突然自动关机。等重新启动时,只能对着空白文档懊恼地叹气,提醒自己下次及时保存。
要是关机时能够自动保存就好了!复旦大学教授周鹏、青年研究员刘春森团队研制的“破晓(PoX)”皮秒闪存器件,有望在不远的将来解除这个困扰。
该团队颠覆现有闪存技术路径,突破了信息存取速度极限,能够满足人工智能(AI)对极高算力和能效的要求,助力AI大模型极速运行。4月16日,相关研究发表于《自然》。

十年求索,一路繁花
无论电脑还是手机,都有“运行内存”和“机身内存”两套存储系统,前者操作速度快,但容量小,一旦断电,数据就全部清空,学术界称之为“易失性存储器”;后者容量大,即便突然拔掉电源也无需担心数据丢失问题,但运行速度极慢。它们有一个学名,叫作“非易失性存储器”。
长久以来,为了能够同时满足操作速度和存储容量的要求,易失性存储器和非易失性存储器需要配合工作——由易失性存储器负责文档编辑、图片处理等工作,再由非易失性存储器保存修改后的信息。
人们早已习惯了这一运行模式。随着信息存储技术发展,越来越多的宝贵经验得以保留,为信息时代的繁荣奠定了基础。
然而,在“大数据”驱动的AI时代,现有分级存储架构已无法满足计算芯片对极高算力和能效的需求。
“针对AI计算的算力与能效的要求,信息存取速度直接决定算力上限,而非易失性存储技术是实现超低功耗的关键。因此,破局点在于解决集成电路领域最关键的基础科学问题,即信息的非易失存取速度极限。”刘春森告诉《中国科学报》。
二维材料因其独特的物理性质,兼具导体、半导体和绝缘体特性,在微缩集成电路、提升稳定性及开发新型存储器方面潜力巨大。
早在10年前,周鹏团队就开始布局,着手突破现有存储技术瓶颈,研发兼具现有两类存储器优势的第三类存储技术。2015年,刘春森来到复旦大学攻读博士学位,师从周鹏,开始尝试用二维半导体材料制作存储器。
“这项成果是我们团队的‘十年之约’。”刘春森说,“过去10年,团队聚焦信息存取速度极限,深耕以闪存为代表的非易失性存储技术,不断实现运行速度的提升。”
2018年,团队设计出由多重二维材料堆叠构成的半浮栅结构晶体管,并构筑得到了二维半导体准非易失性存储原型器件,写入速度比当时的U盘快1万倍,破解了“写入速度”与“非易失性”难以兼得的难题。
此后,团队进一步优化存储器结构,不断提升闪存速度,2021年、2023年、2024年相继取得突破性进展。
其中,2024年,团队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,并证明其超快特性可延伸至亚10纳秒。这一超小尺寸器件具备20纳秒超快编程、10年非易失、10万次循环寿命和多态存储性能,单一器件循环寿命达800万次。
这次,团队从底层机制进行创新,研制的“破晓”皮秒闪存器件擦写速度达亚1纳秒(400皮秒),即每秒可以工作25亿次,与计算机芯片的工作速度(每秒10亿~30亿次)相当。此外,器件的工作电压低于5伏,未来有望进一步降低,在能耗方面极具优势。
“‘破晓’是目前世界最快的半导体电荷存储器件,性能超越同技术节点下最快的易失性存储SRAM技术。”回顾过去10年,周鹏感慨,“在取得这项颠覆性成果的过程中,我们在沿途采摘了很多不同的鲜花。”
打破常规,突破边界
随着研究不断深入,团队逐渐意识到,在现有框架下,闪存速度很难实现颠覆性突破。2020年,基于前期积累,团队决心打破现有体系,从物理第一性原理出发,突破闪存存取的速度边界。
2023年6月,复旦大学2022级博士研究生向昱桐接下这个课题;3个月后,2023级博士研究生王宠也参与到这项工作中。
对两位“00后”而言,最大的挑战在于转变思维方式。“我们要做一个全新架构,没办法参考已有理论,因此很容易陷入原有思维,跳不出传统闪存技术的框架。”他们坦言。
为了测试闪存速度,二人着实费了一番工夫。“实验室之前的设备只能支持测量纳秒级别的闪存,而‘破晓’的速度达到400皮秒,我们想了很多办法才研制出能够满足高速测试要求的设备。”向昱桐表示。
经过不断摸索,团队在脑海中逐渐搭建起一套全新的存储器理论框架,最终“破晓”惊艳亮相。
“我们首先通过构建准二维泊松模型,理论预测了无极限超注入的新路径。”刘春森解释,“传统硅闪存电荷注入存在峰值,这是限制其速度加快的根本原因。我们结合二维狄拉克能带结构与弹道输运特性,实现沟道电荷向存储层的超注入,表现为无限注入。”
电荷注入指通过物理手段将电子注入存储器的存储单元,从而实现数据写入。在读取数据时,通过检测电流变化来判读存储的是“0(有电荷)”还是“1(无电荷)”。
在现有技术框架下,尽管可以通过加大电压,以能耗换效率的方式提高闪存注入速度,但随着电荷注入逼近峰值,高电压能够起到的正面作用变得十分有限。
“传统闪存就像‘爬’楼梯,由于人的体力有限,无论如何分配,平均速度肯定快不了。无极限超注入新机制则可以理解为坐火箭‘飞’,速度实现了极大的提升。”刘春森说。
破晓时刻,曙光初现
周鹏常对刘春森说:“硅技术积累了太多专利壁垒,我们要聚焦前沿另辟蹊径,用新材料实现技术突破,在集成电路基础制造上走下去、再走下去。”
实验室从“0到1”的突破固然令人激动,但更重要的还是用之于民。团队的初心始终是通过二维半导体材料和技术的更新,解决行业痛点,助力集成电路产业发展。
目前,团队正以“破晓”原型器件为起点,加速推进皮秒闪存器件的产业化。
“我们在同步开展一项Kb级小规模量产工作。”刘春森介绍,“结合标准CMOS工艺,我们成功获得了可支持高速读写、存储的皮秒闪存器件,这类器件同时具备AI相关的矩阵运算能力。”
值得一提的是,“破晓”存储器件的稳定性高度依赖工艺流程的一致性,通过AI算法对工艺测试条件进行科学优化,能够推动技术创新与落地。
“这项高速非易失闪存技术有望重塑全球存储技术格局,推动产业升级并催生全新应用场景,还将为我国实现技术引领提供强有力支撑。”周鹏表示。
因此,周鹏把这一皮秒闪存器件命名为“破晓”——“破”和“皮秒”的“皮”谐音,同时破晓是一天中曙光初现的时刻。“我们希望,这项技术可以帮助中国半导体产业度过黎明前最黑暗的那段时光。”
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