“在一眨眼的时间内，超级闪存已经工作了10亿次，原来的U盘只能工作1000次。相当于光在走了12厘米的时间内，几千个电子已经储存完毕。”近日，复旦大学周鹏、刘春森团队成功研制“破晓（PoX）”皮秒闪存器件，擦写速度达到亚1纳秒（400皮秒），是人类目前掌握的最快半导体电荷存储器件。

相关研究成果以《亚纳秒超注入闪存》（“Sub-nanosecond flash memory enabled by 2D-enhanced hot carrier injection”）为题发表于国际顶尖期刊《自然》。

从远古时代的结绳记事开始，人类对信息存储速度的追求从未止步。随着科技的不断演进，电荷被证明是最佳存储介质，能够以惊人的速度和卓越的可靠性承载海量数据，为信息时代的繁荣奠定了坚实基础。

然而，随着人工智能时代的到来，现有的分级存储架构难以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成为实现超低功耗的关键。

目前速度最快的存储器均为易失性存储器，例如静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）。这类存储器的速度极限约为3T（即晶体管开关时间的三倍，低于1纳秒），代表了当今信息存取速度的最高水平。然而，其断电后数据丢失的特性限制了其在低功耗场景下的应用。相比之下，以闪存（Flash）为代表的非易失性存储器虽然具备极低功耗优势，但由于其电场辅助编程速度远低于晶体管开关速度，难以满足AI计算对数据极高速存取的需求。

复旦大学周鹏/刘春森团队基于器件物理机制的创新，持续推进高速非易失性闪存技术的研发。通过巧妙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存储层的超注入。

（电荷超注入皮秒闪存器件工作机制。图源“央广网”）

这一超注入机制与现有闪存电场辅助注入规律截然不同：传统注入规律存在注入极值点，而超注入则表现为无限注入。团队构建了准二维高斯模型，成功从理论上预测了超注入现象，并据此研制“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），相当于实现了每秒 25亿次的存储速度，性能超越同技术节点下的易失性存储SRAM技术，成为迄今为止世界上最快的半导体电荷存储技术。

2015年，复旦硕士在读的刘春森在导师周鹏指导下开展的第一项研究就是闪存器件。2018年，团队利用多重二维材料构建二维半浮栅闪存结构，将存取速度提升至10纳秒量级。这也是他们发表在纳米技术领域国际期刊Nature Nanotechnology上的第一篇闪存技术相关成果。2021年，团队研制出范德华异质结闪存，将存储速度提至20纳秒的同时确保了数据存储的非易失，成果登上Nature Nanotechnology。2021年底，他们基于高斯定理进行理论创新有了初步把握，最终在2024年构建起了准二维泊松模型，经过测试验证，迎来“破晓”时刻。

据科研团队主要负责人介绍，这一全新成果距离转化为商业应用并不遥远，目前团队已经与生产厂家合作进行了流片验证，未来这一技术有望在人工智能计算等方面发挥巨大作用。

新闻来源：央广网

记    者：叶家余

编    辑：卢婷婷

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