中国科学家突破闪存速度极限：二维材料助力全球最快闪存

【导语】在数字化时代，闪存技术的速度限制常常令人倍感困扰。然而，近日来自复旦大学的研究团队取得了重大突破，发明了世界上最快的闪存芯片，每秒存取速度高达25亿次，比现有技术快了上千倍。这项技术不仅有望解决电子设备卡顿、加载慢等问题，还可能颠覆存储架构，加速AI应用的发展。尽管量产还需时日，但这一成果标志着中国在存储芯片领域的重大进步，预示着未来电子设备的高效运行新时代的到来。

撰文丨孙仲 北京大学研究员

回想一下，你是不是遇到过这样的情况？正在电脑上奋笔疾书，突然系统崩溃，而你的文档还没来得及保存——或者开机时系统迟迟加载，游戏加载地图时卡在进度条……这些令人抓狂的体验，很大程度上源于当前闪存技术的速度限制。你的电脑或手机里的硬盘（存储卡）主要就是闪存，它能长期保存数据，但存取数据的速度却很慢。不过，最近中国科学家在这方面取得了突破，来自复旦大学的研究(jiū)团(tuán)队(duì)发(fā)明(míng)了(le)世(shì)界(jiè)上(shàng)最(zuì)快(kuài)的(de)闪(shǎn)存(cún)芯(xīn)片(piàn)，每(měi)秒(miǎo)能(néng)存(cún)取(qǔ)25亿(yì)次(cì)，比(bǐ)现(xiàn)在(zài)最(zuì)快(kuài)的(de)闪(shǎn)存(cún)快(kuài)了(le)上(shàng)千(qiān)倍(bèi)！

现(xiàn)在(zài)的(de)闪(shǎn)存(cún)技(jì)术(shù)已(yǐ)经(jīng)沿(yán)用(yòng)了(le)几(jǐ)十(shí)年(nián)，像(xiàng)固(gù)态(tài)硬(yìng)盘(pán)、U盘(pán)都(dōu)是(shì)使(shǐ)用(yòng)的(de)这(zhè)项(xiàng)技(jì)术(shù)。它是一种电荷型存储器，通过电信号控制电荷的进出，实现数据0和1的存储。这里顺便提一下，电脑和手机里的另一种存储器——内存（也就是DRAM），也是一种电荷存储器。两者的工作模式很不一样，内存主要用于数据交换，速度很快，但是不能长时间保存数据，一断电数据就会丢失；闪存则主要用于数据的长期保存，断电也不会丢失，但是，它在速度上存在先天不足，这是由它的工作原理所限制的。

传统闪存主要通过两种方式存储数据：一种是给存储单元施加高电压，通过一种叫FN量子隧穿的方式，强行让电子穿过绝缘层，进入存储层；另一种是给电子加速，让它获得足够的能量，“跳”进存储层，叫作热载流子注入。这两种方法要么需要很高的电压，要么就是速度太慢。更麻烦的是，反复高压操作还会损伤芯片，这就是为什么U盘、手机用久了会变慢甚至报废。

这次复旦大学团队的黑科技，简单说就是改变了电荷的搬运方式，引入了一个新的存储方式，叫做“二维热载流子注入”。什么意思呢？传统闪存是利用硅材料作为电子通道，电子在里面移动缓慢、能量低、容易碰撞，就像一辆面包车挤在拥堵的城市道路上，速度慢还容易“剐蹭”；利用二维材料做通道，情况就完全不同了，电(diàn)场(chǎng)给(gěi)电(diàn)子(zi)的(de)加(jiā)速(sù)更(gèng)快(kuài)，同(tóng)时(shí)散(sàn)射(shè)少(shǎo)，就(jiù)像(xiàng)一(yī)辆(liàng)法(fǎ)拉(lā)利(lì)跑(pǎo)在(zài)畅(chàng)通(tōng)无(wú)阻(zǔ)的(de)高(gāo)速(sù)公(gōng)路上(shàng)。这(zhè)种(zhǒng)情(qíng)况(kuàng)电(diàn)子(zi)能(néng)很(hěn)快(kuài)获(huò)得(de)高(gāo)能(néng)量(liàng)，然(rán)后(hòu)跳(tiào)进存储层，实现数据的快速写入。测试结果显示，这项技术实现了400皮秒（ps）的写入速度，比现有最快的闪存都要快上千倍，甚至超过了内存的速度。

这项技术突破的关键在于三个方面的创新：首先是材料制备，他们开发出能够获得原子级平整二维材料的特殊工艺；其次是结构设计，通过在石墨烯上下堆叠超薄绝缘层，既防止了电荷泄漏又能精确控制电场；最后是制造工艺，通过纳米级精度的加工技术，制作出精密的电极结构，确保电子能够精准投送。

这项技术的意义不仅是让手机变快那么简单，它有可能颠覆电子设备的存储架构。刚才提到，现在的电子设备要靠两种存储器配合工作：速度快但断电就丢失数据的内存，和速度慢但能长期保存的闪存。中国这款新型闪存能够把两者的优点合二为一，未来可能会彻底改变电子设备的架构设计，只需要一种存储器就能让电子设备高效工作。现在大家都关注AI的应用，这项技术也可能派上大用场。如今AI模型的训练过程中，极大一部分时间消耗在“等数据”上，如果数据读写提速，AI学习速度可能提升十倍，自动驾驶、语音助手的反应时间都会大幅缩短。

尽管从实验室研发到大规模量产可能还需要一段时间，但这项成果无疑标志着中国在存储芯片领域的重大突破。研究团队表示，这项技术已经具备初步产业化条件，有望在不久的将来投入实际应用。说不定用不了几年，我们就能在电子设备上见到它，那个时候，那些“卡顿”“加载慢”“突然死机”的烦恼，很可能将成为历史。