你是否遇到過這樣的時(shí)刻——?jiǎng)倢懥艘话氲奈恼?，還沒來得及保存，電腦突然自動(dòng)關(guān)機(jī)。等重新啟動(dòng)時(shí)，只能對著空白文檔懊惱地嘆氣，提醒自己下次及時(shí)保存。

要是關(guān)機(jī)時(shí)能夠自動(dòng)保存就好了！復(fù)旦大學(xué)教授周鵬、青年研究員劉春森團(tuán)隊(duì)研制的“破曉（PoX）”皮秒閃存器件，有望在不遠(yuǎn)的將來解除這個(gè)困擾。

該團(tuán)隊(duì)顛覆現(xiàn)有閃存技術(shù)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(yùn)行。4月16日，相關(guān)研究發(fā)表于《自然》。

電荷超注入皮秒閃存器件工作機(jī)制。

十年求索，一路繁花

無論電腦還是手機(jī)，都有“運(yùn)行內(nèi)存”和“機(jī)身內(nèi)存”兩套存儲系統(tǒng)，前者操作速度快，但容量小，一旦斷電，數(shù)據(jù)就全部清空，學(xué)術(shù)界稱之為“易失性存儲器”；后者容量大，即便突然拔掉電源也無需擔(dān)心數(shù)據(jù)丟失問題，但運(yùn)行速度極慢。它們有一個(gè)學(xué)名，叫作“非易失性存儲器”。

長久以來，為了能夠同時(shí)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(fù)責(zé)文檔編輯、圖片處理等工作，再由非易失性存儲器保存修改后的信息。

人們早已習(xí)慣了這一運(yùn)行模式。隨著信息存儲技術(shù)發(fā)展，越來越多的寶貴經(jīng)驗(yàn)得以保留，為信息時(shí)代的繁榮奠定了基礎(chǔ)。

然而，在“大數(shù)據(jù)”驅(qū)動(dòng)的AI時(shí)代，現(xiàn)有分級存儲架構(gòu)已無法滿足計(jì)算芯片對極高算力和能效的需求。

“針對AI計(jì)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(shù)是實(shí)現(xiàn)超低功耗的關(guān)鍵。因此，破局點(diǎn)在于解決集成電路領(lǐng)域最關(guān)鍵的基礎(chǔ)科學(xué)問題，即信息的非易失存取速度極限。”劉春森告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

二維材料因其獨(dú)特的物理性質(zhì)，兼具導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體特性，在微縮集成電路、提升穩(wěn)定性及開發(fā)新型存儲器方面潛力巨大。

早在10年前，周鵬團(tuán)隊(duì)就開始布局，著手突破現(xiàn)有存儲技術(shù)瓶頸，研發(fā)兼具現(xiàn)有兩類存儲器優(yōu)勢的第三類存儲技術(shù)。2015年，劉春森來到復(fù)旦大學(xué)攻讀博士學(xué)位，師從周鵬，開始嘗試用二維半導(dǎo)體材料制作存儲器。

“這項(xiàng)成果是我們團(tuán)隊(duì)的‘十年之約’?！眲⒋荷f，“過去10年，團(tuán)隊(duì)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(shù)，不斷實(shí)現(xiàn)運(yùn)行速度的提升?！?

2018年，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出由多重二維材料堆疊構(gòu)成的半浮柵結(jié)構(gòu)晶體管，并構(gòu)筑得到了二維半導(dǎo)體準(zhǔn)非易失性存儲原型器件，寫入速度比當(dāng)時(shí)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。

此后，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化存儲器結(jié)構(gòu)，不斷提升閃存速度，2021年、2023年、2024年相繼取得突破性進(jìn)展。

其中，2024年，團(tuán)隊(duì)在國際上首次實(shí)現(xiàn)了最大規(guī)模1Kb納秒超快閃存陣列集成驗(yàn)證，并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(huán)壽命和多態(tài)存儲性能，單一器件循環(huán)壽命達(dá)800萬次。

這次，團(tuán)隊(duì)從底層機(jī)制進(jìn)行創(chuàng)新，研制的“破曉”皮秒閃存器件擦寫速度達(dá)亞1納秒（400皮秒），即每秒可以工作25億次，與計(jì)算機(jī)芯片的工作速度（每秒10億～30億次）相當(dāng)。此外，器件的工作電壓低于5伏，未來有望進(jìn)一步降低，在能耗方面極具優(yōu)勢。

“‘破曉’是目前世界最快的半導(dǎo)體電荷存儲器件，性能超越同技術(shù)節(jié)點(diǎn)下最快的易失性存儲SRAM技術(shù)?！被仡欉^去10年，周鵬感慨，“在取得這項(xiàng)顛覆性成果的過程中，我們在沿途采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(fù)旦大學(xué)供圖

打破常規(guī)，突破邊界

隨著研究不斷深入，團(tuán)隊(duì)逐漸意識到，在現(xiàn)有框架下，閃存速度很難實(shí)現(xiàn)顛覆性突破。2020年，基于前期積累，團(tuán)隊(duì)決心打破現(xiàn)有體系，從物理第一性原理出發(fā)，突破閃存存取的速度邊界。

2023年6月，復(fù)旦大學(xué)2022級博士研究生向昱桐接下這個(gè)課題；3個(gè)月后，2023級博士研究生王寵也參與到這項(xiàng)工作中。

對兩位“00后”而言，最大的挑戰(zhàn)在于轉(zhuǎn)變思維方式?！拔覀円鲆粋€(gè)全新架構(gòu)，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(tǒng)閃存技術(shù)的框架?！彼麄兲寡浴?

為了測試閃存速度，二人著實(shí)費(fèi)了一番工夫?！皩?shí)驗(yàn)室之前的設(shè)備只能支持測量納秒級別的閃存，而‘破曉’的速度達(dá)到400皮秒，我們想了很多辦法才研制出能夠滿足高速測試要求的設(shè)備?！毕蜿磐┍硎?。

經(jīng)過不斷摸索，團(tuán)隊(duì)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”驚艷亮相。

“我們首先通過構(gòu)建準(zhǔn)二維泊松模型，理論預(yù)測了無極限超注入的新路徑。”劉春森解釋，“傳統(tǒng)硅閃存電荷注入存在峰值，這是限制其速度加快的根本原因。我們結(jié)合二維狄拉克能帶結(jié)構(gòu)與彈道輸運(yùn)特性，實(shí)現(xiàn)溝道電荷向存儲層的超注入，表現(xiàn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，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(xiàn)有技術(shù)框架下，盡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，但隨著電荷注入逼近峰值，高電壓能夠起到的正面作用變得十分有限。

“傳統(tǒng)閃存就像‘爬’樓梯，由于人的體力有限，無論如何分配，平均速度肯定快不了。無極限超注入新機(jī)制則可以理解為坐火箭‘飛’，速度實(shí)現(xiàn)了極大的提升。”劉春森說。

破曉時(shí)刻，曙光初現(xiàn)

周鵬常對劉春森說：“硅技術(shù)積累了太多專利壁壘，我們要聚焦前沿另辟蹊徑，用新材料實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，在集成電路基礎(chǔ)制造上走下去、再走下去?！?

實(shí)驗(yàn)室從“0到1”的突破固然令人激動(dòng)，但更重要的還是用之于民。團(tuán)隊(duì)的初心始終是通過二維半導(dǎo)體材料和技術(shù)的更新，解決行業(yè)痛點(diǎn)，助力集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

目前，團(tuán)隊(duì)正以“破曉”原型器件為起點(diǎn)，加速推進(jìn)皮秒閃存器件的產(chǎn)業(yè)化。

“我們在同步開展一項(xiàng)Kb級小規(guī)模量產(chǎn)工作。”劉春森介紹，“結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)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(shí)具備AI相關(guān)的矩陣運(yùn)算能力?！?

值得一提的是，“破曉”存儲器件的穩(wěn)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(jìn)行科學(xué)優(yōu)化，能夠推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新與落地。

“這項(xiàng)高速非易失閃存技術(shù)有望重塑全球存儲技術(shù)格局，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級并催生全新應(yīng)用場景，還將為我國實(shí)現(xiàn)技術(shù)引領(lǐng)提供強(qiáng)有力支撐?！敝荠i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(shí)破曉是一天中曙光初現(xiàn)的時(shí)刻?！拔覀兿Ｍ?，這項(xiàng)技術(shù)可以幫助中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)度過黎明前最黑暗的那段時(shí)光?！?

（《中國科學(xué)報(bào)》見習(xí)記者 江慶齡）