点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:世界最快闪存在中国“破晓”
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

世界最快闪存在中国“破晓”

来源:中国科学报2025-04-18 10:03

  ■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》。

世界最快闪存在中国“破晓”

  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。”

[ 责编:宋雅娟 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 西康高铁沿线车站挂牌

  • 中国妇女事业发展成就图片展在莫斯科举行

独家策划

推荐阅读
“遥感是人们在距离和感官上的延伸,是认知地球、探查资源、监测环境的重要技术手段。本次活动由全国科学道德和学风建设宣讲教育领导小组主办,中国科协科学技术传播中心、湖南省科学技术协会、中南大学、光明网联合承办。
2026-03-20 09:42
每年春季,花粉过敏会给不少人带来困扰。该检测试剂盒采用微量血清特异性洋白蜡花粉过敏原IgE定量检测,用以辅助诊断,成为目前用于花粉症精准诊断的主要方法。
2026-03-20 09:39
3月18日,记者从新疆电力交易中心有限公司获悉,自2010年启动“疆电外送”以来,新疆累计外送新能源电量已达3043.6亿千瓦时,约占总外送电量的三成。
2026-03-20 09:39
吕小康:从现实语义上看,情感AI既指能够识别、理解、模拟和响应人类情感的人工智能技术,也指基于这类技术设计和开发的情感智能体。吕小康:为引导青年群体健康使用情感AI,还需要进一步加强协同治理,培育积极有益的陪伴型人工智能应用环境。
2026-03-20 09:36
据3月17日农情调度,全国早稻育秧已三成半,同比略快。据介绍,北方冬小麦当前的田管重点是继续促进弱苗转化升级,抓好病虫防控,防范春旱、倒春寒、干热风等灾害。“近日国家启动投放1000余万吨氮磷及复合肥储备,作为国家化肥储备重要承储主体,全国供销合作社系统农资企业积极按要求将储备化肥及时集中投放市场,稳定市场价格。
2026-03-20 09:36
小时候我们背过一句话:万物由原子组成。这一路走来,从质子的异常,到夸克模型的提出,再到量子色动力学和标准模型的建立,人类把物质拆解到了17种基本粒子的层级。曾获国家六部委回国人员成就奖、德国洪堡研究奖、吴有训物理奖、中国科学院优秀研究生导师奖。
2026-03-20 09:35
吴晓民(右一)团队在野外工作。藏羚羊曾广泛分布于高原全境,其漫长的演化史与复杂的种群波动,始终是全球动物保护与演化生物学领域关注的焦点。研究团队还通过生态位模拟,锁定了藏羚羊的生命庇护所——青藏高原北部的可可西里、羌塘高原等区域。
2026-03-19 10:11
通知明确,各城市群应优先选择具备条件的燃料电池汽车、绿色氨醇、氢基化工原料替代、氢冶金以及掺氢燃烧等应用场景开展试点,积极探索氢能创新应用场景,形成“1个燃料电池汽车通用场景+N个工业领域应用场景+X个创新应用场景”的氢能综合应用生态。通知要求,氢能综合应用试点以城市群为主体开展申报,城市群应立足自身资源条件,因地制宜、宜氢则氢,避免各场景一拥而上、低水平重复建设。
2026-03-19 10:10
2026中关村论坛年会将于3月25日至29日在北京举办。
2026-03-19 10:04
日前发布的《中国地热产业发展报告2025》显示,我国地热产业多元化利用格局正在形成。在地热供暖发展带动下,我国地热产业规模长期稳居世界第一。
2026-03-19 10:00
由于土豆块茎外形粗陋、埋于地下,又不见于《圣经》,一度被殖民者视为“魔鬼之根”或带毒之物。另一方面,随着城市扩张与人口增长,粮食压力加剧,土豆因高产、耐寒、适宜在小块土地种植而被人们重视。
2026-03-19 10:00
作者:刘琦 仇焕广(分别系中国人民大学助理教授,辽宁大学党委常委、副校长)  今年《政府工作报告》提出,“推进先进适用农机装备研发应用,打通农业科技推广‘最后一公里’”。
2026-03-19 09:59
为此,生态环境法典针对重点流域、重要生态单元设置专门规范,明确长江、黄河等重点区域一体化保护要求,建立协同机制。生态环境法典第三编第六章“生态退化的预防和治理”,整合水土保持法、防沙治沙法的有关规定,分为水土保持、防沙治沙两节。
2026-03-18 09:38
“‘两弹一星’不是孤立的科技突破,而是面向国家需求‘从0到1’的科技创新。本次活动由全国科学道德和学风建设宣讲教育领导小组主办,中国科协科学技术传播中心、安徽省科学技术协会、安徽农业大学、光明网联合承办。
2026-03-18 09:27
对于1型糖尿病患者而言,胰腺中那些负责分泌胰岛素、调节血糖的胰岛β细胞,被自身免疫系统错误地当成了“入侵者”,日复一日地遭受攻击,直至彻底损毁。这3个病例,分别代表中国乃至全球再生医学领域的3个“首次”——世界首例自体、中国首例异体、世界首例青少年再生胰岛移植治疗1型糖尿病。
2026-03-18 09:27
记者3月17日从国家能源局获悉,2026年1至2月,全社会用电量累计16546亿千瓦时,同比增长6.1%。从分产业用电看,第一产业用电量223亿千瓦时,同比增长7.4%;第二产业用电量10279亿千瓦时,同比增长6.3%,其中,工业用电量同比增长6.4%,高技术及装备制造业用电量同比增长10.6%;第三产业用电量3231亿千瓦时,同比增长8.3%,其中,充换电服务业、互联网数据服务业用电量增速分别达到55.1%、46.2%。
2026-03-18 09:26
当前,以家庭农场、农民合作社、龙头企业为代表的新型农业经营主体已成为“强农兴村”的中坚力量,发展成效显著。夯实联农带农长效机制,还需构建多层次、可落地的政策环境,让农业经营主体有动力、有能力、有底气带动小农户共同增收。
2026-03-18 09:26
在成都温江区,骑行爱好者李先生沿着北林绿道前行,穿梭在虫鸣鸟叫、淡淡花香之中。”  一幅幅充满生机的新春图景,正是成都加快建设践行新发展理念的公园城市示范区的生动注脚。
2026-03-18 09:26
分享几个故事,一起走进地球科学的世界。
2026-03-16 18:39
工业和信息化部、财政部、国家发展改革委日前印发《关于开展氢能综合应用试点工作的通知》。通知提出,通过城市群试点,将氢能应用场景由燃料电池汽车向交通、工业等具备条件的多元领域拓展。
2026-03-17 09:35
加载更多