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》。

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。”