眨眼间能完成10亿次存储 上海科研团队研制出超高速闪存

记者从上海市科委获悉，集成芯片与系统全国重点实验室周鹏-刘春森团队通过构建准二维泊松模型在理论上，预测了超注入现象打破了现有存储速度的理论极限研制“破晓（PoX）”皮秒闪存器件。其擦写速度可提升至亚1纳秒。400皮秒相当于每秒可执行25亿次操作，是迄今为止世界上最快的半导体电荷存储技术。相关成果以《亚纳秒超注入闪存》为题于北京时间4月16日晚间在《自然》（Nature）期刊上发表。

AI时代，大数据的高速存储至关重要。如何突破信息存储速度极限，一直是集成电路领域最核心的基础性问题之一，也是制约AI算力上限的关键技术瓶颈。要实现大数据的高速存储，意味着与之匹配的存储器必须是在存储速度、能耗、容量上均表现优异的“六边形战士”。

然而，既有存储器的速度分级架构形如一座金字塔——位于塔上层的易失性存储器（如SRAM、DRAM）拥有纳秒级的高速存储，但其存储容量小、功耗大、制造成本高、断电后数据会丢失；而位于塔底的非易失性存储器（如闪存）则恰恰相反，虽克服了前者的种种劣势，但唯一的美中不足，便是百微秒级的存取速度不及前者十万分之一，遑论满足AI的计算需求。

既然闪存除了速度都是优点，有没有可能补齐它的速度短板？为此，周鹏-刘春森团队开展攻关，试图重新定义存储的边界，找到一种“完美”的存储器。

作为闪存的基本存储单元，浮栅晶体管由源极、漏极和栅极所组成。当电子从源极顺着沟道“跑”向漏极的过程中，按下栅极这一“开关”，电子便可被拽入浮栅存储层，实现信息存储。

“过去为闪存提速的思路，是让电子在跑道上先热身加速一段时间，等具备了高能量再按下开关。”刘春森形象解释。但在传统理论机制下，电子的“助跑”距离长、提速慢，半导体特殊的电场分布也决定了电子加速存在理论上限，令闪存存储速度无法突破注入极值点。

从存储器件的底层理论机制出发，团队提出了一条全新的提速思路——通过结合二维狄拉克能带结构与弹道输运特性，调制二维沟道的高斯长度，从而实现沟道电荷向浮栅存储层的超注入。在超注入机制下，电子无需“助跑”就可以直接提至高速，而且可以无限注入，不再受注入极值点的限制。

通过构建准二维泊松模型，团队成功在理论上预测了超注入现象，据此研制的皮秒闪存器件擦写速度闯入亚1纳秒大关（400皮秒），相当于每秒可执行25亿次操作，性能超越同技术节点下世界最快的易失性存储SRAM技术。

这是迄今为止世界上最快的半导体电荷存储技术，实现了存储、计算速度相当，在完成规模化集成后有望彻底颠覆现有的存储器架构。在该技术基础上，未来的个人电脑将不存在内存和外存的概念，无需分层存储，还能实现AI大模型的本地部署。

作为智能时代的核心基座，存储技术的速度边界拓宽或将引发应用场景指数级的革新，并成为我国在人工智能、云计算、通信工程等相关领域实现技术引领的“底气”之一。下一步，他们计划在3～5年将其集成到几十兆的水平，届时可授权给企业进行产业化。

据悉，该全国重点实验室依托复旦大学建设，周鹏和刘春森均是实验室骨干成员。此研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金人才类项目、上海市基础研究相关项目支持，以及教育部创新平台的支持。

（总台央视记者张春玲）