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眨眼間完成10億次存儲科研團隊研制出超高速閃存

2025-04-17 11:07:44 來源：央視新聞客戶端 A+A-

眨眼間能完成10億次存儲上?？蒲袌F隊研制出超高速閃存

記者從上海市科委獲悉，集成芯片與系統(tǒng)全國重點實驗室周鵬-劉春森團隊通過構(gòu)建準二維泊松模型在理論上，預測了超注入現(xiàn)象打破了現(xiàn)有存儲速度的理論極限研制“破曉（PoX）”皮秒閃存器件。其擦寫速度可提升至亞1納秒。400皮秒相當于每秒可執(zhí)行25億次操作，是迄今為止世界上最快的半導體電荷存儲技術(shù)。相關(guān)成果以《亞納秒超注入閃存》為題于北京時間4月16日晚間在《自然》（Nature）期刊上發(fā)表。

AI時代，大數(shù)據(jù)的高速存儲至關(guān)重要。如何突破信息存儲速度極限，一直是集成電路領(lǐng)域最核心的基礎(chǔ)性問題之一，也是制約AI算力上限的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。要實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的高速存儲，意味著與之匹配的存儲器必須是在存儲速度、能耗、容量上均表現(xiàn)優(yōu)異的“六邊形戰(zhàn)士”。

然而，既有存儲器的速度分級架構(gòu)形如一座金字塔——位于塔上層的易失性存儲器（如SRAM、DRAM）擁有納秒級的高速存儲，但其存儲容量小、功耗大、制造成本高、斷電后數(shù)據(jù)會丟失；而位于塔底的非易失性存儲器（如閃存）則恰恰相反，雖克服了前者的種種劣勢，但唯一的美中不足，便是百微秒級的存取速度不及前者十萬分之一，遑論滿足AI的計算需求。

既然閃存除了速度都是優(yōu)點，有沒有可能補齊它的速度短板？為此，周鵬-劉春森團隊開展攻關(guān)，試圖重新定義存儲的邊界，找到一種“完美”的存儲器。

作為閃存的基本存儲單元，浮柵晶體管由源極、漏極和柵極所組成。當電子從源極順著溝道“跑”向漏極的過程中，按下柵極這一“開關(guān)”，電子便可被拽入浮柵存儲層，實現(xiàn)信息存儲。

眨眼間完成10億次存儲科研團隊研制出超高速閃存

“過去為閃存提速的思路，是讓電子在跑道上先熱身加速一段時間，等具備了高能量再按下開關(guān)。”劉春森形象解釋。但在傳統(tǒng)理論機制下，電子的“助跑”距離長、提速慢，半導體特殊的電場分布也決定了電子加速存在理論上限，令閃存存儲速度無法突破注入極值點。

從存儲器件的底層理論機制出發(fā)，團隊提出了一條全新的提速思路——通過結(jié)合二維狄拉克能帶結(jié)構(gòu)與彈道輸運特性，調(diào)制二維溝道的高斯長度，從而實現(xiàn)溝道電荷向浮柵存儲層的超注入。在超注入機制下，電子無需“助跑”就可以直接提至高速，而且可以無限注入，不再受注入極值點的限制。

通過構(gòu)建準二維泊松模型，團隊成功在理論上預測了超注入現(xiàn)象，據(jù)此研制的皮秒閃存器件擦寫速度闖入亞1納秒大關(guān)（400皮秒），相當于每秒可執(zhí)行25億次操作，性能超越同技術(shù)節(jié)點下世界最快的易失性存儲SRAM技術(shù)。

這是迄今為止世界上最快的半導體電荷存儲技術(shù)，實現(xiàn)了存儲、計算速度相當，在完成規(guī)?；珊笥型麖氐最嵏铂F(xiàn)有的存儲器架構(gòu)。在該技術(shù)基礎(chǔ)上，未來的個人電腦將不存在內(nèi)存和外存的概念，無需分層存儲，還能實現(xiàn)AI大模型的本地部署。

作為智能時代的核心基座，存儲技術(shù)的速度邊界拓寬或?qū)⒁l(fā)應用場景指數(shù)級的革新，并成為我國在人工智能、云計算、通信工程等相關(guān)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)技術(shù)引領(lǐng)的“底氣”之一。下一步，他們計劃在3～5年將其集成到幾十兆的水平，屆時可授權(quán)給企業(yè)進行產(chǎn)業(yè)化。

據(jù)悉，該全國重點實驗室依托復旦大學建設(shè)，周鵬和劉春森均是實驗室骨干成員。此研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金人才類項目、上海市基礎(chǔ)研究相關(guān)項目支持，以及教育部創(chuàng)新平臺的支持。

（總臺央視記者張春玲）

(責任編輯：梁云嬌 CN079)