電荷超注入皮秒閃存器件工作機制。復旦大學供圖
■本報見習記者江慶齡
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。等重新啟動時，只能對著空白檔案懊惱地歎氣，提醒自己下次及時保存。
要是關機時能够自動保存就好了！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科技路徑，突破了資訊存取速度極限，能够滿足人工智慧（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》。
十年求索，一路繁花
無論電腦還是手機，都有“運行記憶體”和“機身記憶體”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“易失性記憶體”；後者容量大，即便突然拔掉電源也無需擔心資料丟失問題，但運行速度極慢。它們有一個學名，叫作“非易失性記憶體”。
長久以來，為了能够同時滿足操作速度和存儲容量的要求，易失性記憶體和非易失性記憶體需要配合工作——由易失性記憶體負責檔案編輯、圖片處理等工作，再由非易失性記憶體保存修改後的資訊。
人們早已習慣了這一運行模式。隨著資訊存儲技術發展，越來越多的寶貴經驗得以保留，為資訊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晶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，資訊存取速度直接决定算力上限，而非易失性存儲技術是實現超低功耗的關鍵。囙此，破局點在於解决集成電路領域最關鍵的基礎科學問題，即資訊的非易失存取速度極限。”劉春森告訴《中國科學報》。
二維資料因其獨特的物理性質，兼具導體、電晶體和絕緣體特性，在微縮集成電路、提升穩定性及開發新型記憶體方面潜力巨大。
早在10年前，周鵬團隊就開始佈局，著手突破現有存儲技術瓶頸，研發兼具現有兩類記憶體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記憶體。
“這項成果是我們團隊的‘十年之約’。”劉春森說，“過去10年，團隊聚焦資訊存取速度極限，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資料堆疊構成的半浮栅結構電晶體，並構築得到了二維電晶體准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，團隊進一步優化記憶體結構，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納秒超快程式設計、10年非易失、10萬次迴圈壽命和多型存儲效能，單一器件迴圈壽命達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，與電腦晶片的工作速度（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’是現時世界最快的電晶體電荷存儲器件，效能超越同科技節點下最快的易失性存儲SRAM科技。”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。”
打破常規，突破邊界
隨著研究不斷深入，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，團隊决心打破現有體系，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，沒辦法參攷已有理論，囙此很容易陷入原有思維，跳不出傳統閃存科技的框架。”他們坦言。
為了測試閃存速度，二人著實費了一番工夫。“實驗室之前的設備只能支持量測納秒級別的閃存，而‘破曉’的速度達到400皮秒，我們想了很多辦法才研製出能够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記憶體理論框架，最終“破曉”驚豔亮相。
“我們首先通過構建准二維泊松模型，理論預測了無極限超注入的新路徑。”劉春森解釋，“傳統矽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記憶體的存儲單元，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）”。
在現有科技框架下，儘管可以通過加大電壓，以能耗換效率的管道提高閃存注入速度，但隨著電荷注入逼近峰值，高電壓能够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。”劉春森說。
破曉時刻，曙光初現
周鵬常對劉春森說：“矽科技積累了太多專利壁壘，我們要聚焦前沿另闢蹊徑，用新材料實現科技突破，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科技的更新，解决行業痛點，助力集成電路產業發展。
現時，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算灋對工藝測試條件進行科學優化，能够推動技術創新與落地。
“這項高速非易失閃存科技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，還將為我國實現科技引領提供强有力支撐。”周鵬表示。
囙此，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，這項科技可以幫助中國半導體產業度過黎明前最黑暗的那段時光。”