眨眼間能完成10億次存儲(chǔ) 上海科研團(tuán)隊(duì)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周鵬-劉春森團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)建準(zhǔn)二維泊松模型在理論上,，預(yù)測(cè)了超注入現(xiàn)象打破了現(xiàn)有存儲(chǔ)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(dāng)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(dǎo)體電荷存儲(chǔ)技術(shù),。相關(guān)成果以《亞納秒超注入閃存》為題于北京時(shí)間4月16日晚間在《自然》（Nature）期刊上發(fā)表。

AI時(shí)代,，大數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)至關(guān)重要,。如何突破信息存儲(chǔ)速度極限，一直是集成電路領(lǐng)域最核心的基礎(chǔ)性問(wèn)題之一,，也是制約AI算力上限的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,。要實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)，意味著與之匹配的存儲(chǔ)器必須是在存儲(chǔ)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(chǔ)器的速度分級(jí)架構(gòu)形如一座金字塔——位于塔上層的易失性存儲(chǔ)器（如SRAM,、DRAM）擁有納秒級(jí)的高速存儲(chǔ)，但其存儲(chǔ)容量小,、功耗大,、制造成本高、斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失,；而位于塔底的非易失性存儲(chǔ)器（如閃存）則恰恰相反,，雖克服了前者的種種劣勢(shì)，但唯一的美中不足,，便是百微秒級(jí)的存取速度不及前者十萬(wàn)分之一,，遑論滿足AI的計(jì)算需求。

既然閃存除了速度都是優(yōu)點(diǎn),，有沒(méi)有可能補(bǔ)齊它的速度短板,？為此,，周鵬-劉春森團(tuán)隊(duì)開(kāi)展攻關(guān),，試圖重新定義存儲(chǔ)的邊界，找到一種“完美”的存儲(chǔ)器,。

作為閃存的基本存儲(chǔ)單元,，浮柵晶體管由源極、漏極和柵極所組成,。當(dāng)電子從源極順著溝道“跑”向漏極的過(guò)程中,，按下柵極這一“開(kāi)關(guān)”，電子便可被拽入浮柵存儲(chǔ)層,，實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ),。

“過(guò)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(shí)間,，等具備了高能量再按下開(kāi)關(guān),?！眲⒋荷蜗蠼忉尅５趥鹘y(tǒng)理論機(jī)制下,，電子的“助跑”距離長(zhǎng),、提速慢，半導(dǎo)體特殊的電場(chǎng)分布也決定了電子加速存在理論上限,，令閃存存儲(chǔ)速度無(wú)法突破注入極值點(diǎn),。

從存儲(chǔ)器件的底層理論機(jī)制出發(fā)，團(tuán)隊(duì)提出了一條全新的提速思路——通過(guò)結(jié)合二維狄拉克能帶結(jié)構(gòu)與彈道輸運(yùn)特性,，調(diào)制二維溝道的高斯長(zhǎng)度,，從而實(shí)現(xiàn)溝道電荷向浮柵存儲(chǔ)層的超注入。在超注入機(jī)制下,，電子無(wú)需“助跑”就可以直接提至高速,，而且可以無(wú)限注入，不再受注入極值點(diǎn)的限制,。

通過(guò)構(gòu)建準(zhǔn)二維泊松模型,，團(tuán)隊(duì)成功在理論上預(yù)測(cè)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(dāng)于每秒可執(zhí)行25億次操作,，性能超越同技術(shù)節(jié)點(diǎn)下世界最快的易失性存儲(chǔ)SRAM技術(shù)。

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

作為智能時(shí)代的核心基座,，存儲(chǔ)技術(shù)的速度邊界拓寬或?qū)⒁l(fā)應(yīng)用場(chǎng)景指數(shù)級(jí)的革新,，并成為我國(guó)在人工智能、云計(jì)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(jì)劃在3～5年將其集成到幾十兆的水平,，屆時(shí)可授權(quán)給企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化,。

據(jù)悉，該全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室依托復(fù)旦大學(xué)建設(shè),，周鵬和劉春森均是實(shí)驗(yàn)室骨干成員,。此研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、國(guó)家自然科學(xué)基金人才類項(xiàng)目、上海市基礎(chǔ)研究相關(guān)項(xiàng)目支持,，以及教育部創(chuàng)新平臺(tái)的支持,。

（總臺(tái)央視記者張春玲）