半月談記者 張漫子

當與AI大模型聊天時，你是否經歷過“思考中……”的焦急等待?打開一款游戲，為什么進度條會卡在99%處不動?當運行一個大工程文件時，一個很微小的調整為什么也像是“愚公移山”?這些數字時代的痛點，都指向一個問題——存儲速度的瓶頸。

從遠古的結繩記事到今天的電子存儲，人類對存儲速度“快”的追求就從未止步。人工智能時代，存儲速度的最新極限在哪里?最近，中國科學家用一項顛覆性成果給出答案。復旦大學集成芯片與系統全國重點實驗室、芯片與系統前沿技術研究院周鵬、劉春森團隊成功研制出“破曉”閃存器件，擦寫速度可達400皮秒(萬億分之一秒)。這是人類目前掌握的最快半導體電荷存儲器件。

像閃電一樣快?

“破曉”，到底有多快?“你一眨眼的工夫，它已經工作了10億次，換句話說，光移動12厘米的時間內，幾千個電子已經儲存完畢。這點時間通常的U盤只能工作1000次。”劉春森告訴半月談記者，這個只有拇指蓋大小的小小“破曉”，一秒鐘可執行25億次操作，比傳統閃存快了100萬倍。如果說過去的閃存好比一輛小三輪，“破曉”就好比超音速的磁懸浮列車。

更重要的是，這樣的高速并未犧牲可靠性。實驗顯示，“破曉”在連續長時間運行和編程循環后依然性能穩定。室溫條件下，“破曉”可穩定存儲數據超過10年，真正實現“寫得快”又“記得牢”。

這樣也意味著，它不僅能勝任高頻讀寫的即時任務，像內存一樣快速響應，還能像硬盤一樣長久保存數據，突破短期記憶和長期記憶之間的“隔斷”。

擦寫速度沖破亞納秒(小于 10-9 秒)大關的“破曉”，還帶來了潛在的能效革命。常見的AI硬件約70%的能耗并非消耗在思考與計算上，而是讓數據在內存與存儲器之間來回“折騰”耗掉了。“破曉”的出現，讓數據瞬移到計算單元成為可能，大大縮短等待時間，自然就減少了搬運的能耗，讓算力可以聚焦于“思考”本身。

讓電子坐上“火箭”

“破曉”是怎么沖破亞納秒大關的?咱們得先從閃存的工作原理說起。

一般來說，閃存完成寫入，就是把存儲在閃存中的數據加載到內存中展開運算。現有閃存的工作方式，就好比廚師做飯時，一次次從滿滿當當的冰箱里搬出食材。但電腦中這樣的“搬運”不僅耗時，還極其耗電。就算掌勺的CPU是一位“廚神”，只要食材無法迅速放上案板，出餐的效率都會大打折扣。

周鵬、劉春森團隊的想法是，讓一次次搬運“提速”終歸是小修小補，不如徹底改變食材運輸的方式。沒錯，他們要從底層物理邏輯下手了。

復旦大學劉春森教授（左二）和周鵬教授（左一）在實驗室指導團隊進行研發

破除思維定式，談何容易!研究團隊用5年時間，才辟出一條“無極限注入”的新路。如果執著于“爬樓梯”本身，速度怎么也快不了。但如果轉換思路，讓電荷“雙腳離地”，直接從低能態躍遷至高能態，“乘火箭”登頂，速度就能獲得極大突破。

無極限注入，正是這枚“火箭”。“通過加熱和加速，讓電子獲得高能量后直接飛進存儲層。更妙的是，它還支持電子與空穴的雙向注入，使整體寫入更加靈活高效。”劉春森說。

當然，材料的突破也極為關鍵。“破曉”沒有使用傳統硅材料，而是采用僅一個原子層厚的二維材料——狄拉克石墨烯。電子在其中幾乎無阻力地穿行，速度飛快。配上其他多種材料，各司其職地承擔導電、絕緣、存儲功能，更為電子“飛馳”創造了條件。

一場革命的“破曉”

看到這里也許你會犯嘀咕：為閃存提速，真有那么重要?讓咱們看看事實吧!

看人工智能——滿血版AI大模型需要快速處理海量數據(每秒工作10億次才理想)，如果存儲速度上不去，數據讀取和寫入的延遲會拖累計算效率，限制AI模型的訓練和實時應用能力。

看云計算——云服務依賴于大規模數據存儲和快速訪問。存儲速度拖后腿會導致服務響應遲緩，限制計算能力，影響用戶體驗。

看大數據——如果海量數據的分析處理遇到慢速存儲，不僅會延長分析時間，實時決策的效率也將大打折扣。

再看通信工程——在5G乃至未來的6G網絡中，高速數據存儲和傳輸是低延遲、高帶寬通信的基礎，存儲速度同樣是一項關鍵瓶頸。

過去很長一段時間，全球閃存產業的核心瓶頸在于速度不夠、性能受限，難以支撐AI計算、邊緣計算等對高吞吐、低時延有極高要求的新興應用場景。“尤其對中國廠商而言，在核心技術和市場份額上長期處于追趕者的位置，如何把握閃存領域技術重塑的關鍵時機實現技術和市場突破，是我國閃存產業的危與機。”劉春森直言。

“破曉”的出現無疑是一場及時雨。它不僅讓存儲變得更快，還改寫了數據的流動與使用邏輯。自此，存儲與內存之間的界限將變得模糊，數據就好比食材放在廚師手邊，隨取隨用，烹飪再不必擔心“無米可炊”。

周鵬-劉春森團隊研制的“破曉（PoX）”皮秒閃存器件

我們可以大膽暢想，未來的電腦、手機將不再有內存和硬盤之分，所有數據都存儲在統一的超高速非易失性存儲器中。開機秒開，程序秒啟，那都是基本操作。

目前，復旦研究團隊正以“破曉”原型器件為起點，加速推進皮秒閃存器件的產業化。“我們在同步開展一項小規模量產工作。”劉春森介紹，結合標準CMOS工藝，他們成功獲得了可支持高速讀寫、存儲的皮秒閃存器件，這類器件同時具備AI相關的矩陣運算能力。

剛剛研發出這一皮秒閃存器件的時候，周鵬將其命名為“破曉”——不僅“破”字與“皮秒”的“皮”諧音，“破曉”也是指一天中曙光初現的時刻。“我們希望，這項技術可以幫助中國半導體產業度過黎明前最黑暗的那段時光。”(實習生謝綿霞參與采寫)

編輯：范鐘秀