你是否遇到过这样的时刻？刚刚写了一半的论文，还没来得及保存，电脑突然自动关机了。等重新打开时，面对空白的文档，只能懊恼地叹一声气，提醒自己下次及时保存。
要是关机的时候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的一项进展，有望在不远的未来解决这个困扰。
更值得一提的是，团队通过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》。
十年求索，一路繁花
无论是电脑还是手机，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，它们也有一个学名，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的要求，易失性存储器和非易失性存储器都是配合工作，由易失性存储器负责进行文档编辑、图片处理等工作，再由非易失性存储器保存修改后的文本、图片等信息。
人们早已习惯了这样的运行模式。也正是随着信息存储技术的发展，越来越多宝贵的经验能够保留下来，为今天信息时代的繁荣奠定了坚实基础。
然而，在以“大数据”为特点的AI时代，现有的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计算所需的算力与能效要求，信息存取速度直接决定了算力上限，而非易失性存储技术则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为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》。
由于其特殊的物理性质，二维材料是一类兼有导体、半导体和绝缘体的完整体系，对集成电路器件进一步微缩并提高集成度、稳定性以及开发新型存储器都有着巨大潜力。
早在十年前，周鹏团队就开始进行布局，致力于突破现有存储技术瓶颈，打造综合现有两类存储器优势的第三类存储技术。也是在2015年，刘春森本科毕业后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。
“这次的成果，是我们团队给自己许下的一个十年之约。”刘春森说道，“过去十年，我们团队聚焦信息存取速度极限这一问题，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，团队设计了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存储原型器件，写入速度比当时的U盘快一万倍，解决了“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，在2021年、2023年、2024年均有突破性进展。
其中2024年的工作中，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，并证明了其超快特性可延伸至亚10纳米。这一超小尺寸器件具备20纳秒超快编程、10年非易失、十万次循环寿命和多态存储性能。实际上，单一器件已达到800万次的循环寿命。
此次，团队则从底层机制进行创新，制备得到的“破晓（PoX）”皮秒闪存器件，擦写速度达到亚1纳秒（400皮秒），即每秒可以工作25亿次，和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，未来有可能进一步降低，在能耗方面也极具优势。
“‘破晓’是人类目前掌握的最快半导体电荷存储器件，其性能超越同技术节点下世界最快的易失性存储SRAM技术。”回顾过去的十年，周鹏感慨道：“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
随着团队研究不断深入，他们逐渐意识到，在现有的框架之下，闪存的速度很难实现颠覆性的突破。从2020年开始，基于前期积累，团队下定决心打破现有的体系，从物理第一性原理出发，突破闪存存取的速度边界。
到2023年6月，复旦大学2022级博士研究生向昱桐接下了这个课题，3个月后，2023级博士研究生王宠也参与到这个工作中。
对两位“00后”一作而言，最大的调整在于如何转变思维方式。“我们要做一个全新的架构，没办法参考已有的理论，因此很容易就会陷入原有的思维，跳不出传统闪存技术的框架。”他们表示。
同时，为了测试闪存的速度，也着实费了一番功夫。“实验室之前的设备只能支持测量纳秒级别的闪存，而‘破晓’的速度达到了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。
就这样，师生在摸索中前行，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，在理论上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。我们结合了二维狄拉克能带结构与弹道输运特性，实现了沟道电荷向存储层的超注入，表现为无限注入。”
电荷注入是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，则通过检测电流的变化，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。
“比如我们需要从1楼到20楼。传统闪存就像是‘爬’楼梯，由于人总的体力是有限的，无论如何分配自己的体力，平均速度肯定快不了。无极限超注入的新机制，则可以理解为是坐着火箭‘飞’楼梯，速度无疑有着极大的提升。”刘春森说道。
破晓时刻，曙光初现
周鹏常和刘春森说：“硅在传统技术上积累了太多技术壁垒专利，我们要聚焦前沿独辟蹊径，采用新材料去实现技术突破，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，解决行业中实际的痛点问题，助力集成电路产业发展。
目前，团队正在以“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 级别的小规模量产工作。”刘春森介绍，“结合标准的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于工艺流程的一致性，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。
“我们研发的突破性高速非易失闪存技术，不仅有望改变全球存储技术格局，进而推动产业升级并催生全新应用场景，还将为我国在相关领域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的半导体产业突破黎明前最黑暗的那段时光。”
