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半月谈记者 张漫子
当与AI大模型聊天时，你是否经历过“思考中……”的焦急等待？打开一款游戏，为什么进度条会卡在99%处不动？当运行一个大工程文件时，一个很微小的调整为什么也像是“愚公移山”？这些数字时代的痛点，都指向一个问题——存储速度的瓶颈。
从远古的结绳记事到今天的电子存储，人类对存储速度“快”的追求就从未止步。人工智能时代，存储速度的最新极限在哪里？最近，中国科学家用一项颠覆性成果给出答案。复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室、芯片与系统前沿技术研究院周鹏、刘春森团队成功研制出“破晓”闪存器件，擦写速度可达400皮秒（万亿分之一秒）。这是人类目前掌握的最快半导体电荷存储器件。
像闪电一样快？
“破晓”，到底有多快？“你一眨眼的工夫，它已经工作了10亿次，换句话说，光移动12厘米的时间内，几千个电子已经储存完毕。这点时间通常的U盘只能工作1000次。”刘春森告诉半月谈记者，这个只有拇指盖大小的小小“破晓”，一秒钟可执行25亿次操作，比传统闪存快了100万倍。如果说过去的闪存好比一辆小三轮，“破晓”就好比超音速的磁悬浮列车。
更重要的是，这样的高速并未牺牲可靠性。实验显示，“破晓”在连续长时间运行和编程循环后依然性能稳定。室温条件下，“破晓”可稳定存储数据超过10年，真正实现“写得快”又“记得牢”。
这样也意味着，它不仅能胜任高频读写的即时任务，像内存一样快速响应，还能像硬盘一样长久保存数据，突破短期记忆和长期记忆之间的“隔断”。
擦写速度冲破亚纳秒（小于 10-9 秒）大关的“破晓”，还带来了潜在的能效革命。常见的AI硬件约70%的能耗并非消耗在思考与计算上，而是让数据在内存与存储器之间来回“折腾”耗掉了。“破晓”的出现，让数据瞬移到计算单元成为可能，大大缩短等待时间，自然就减少了搬运的能耗，让算力可以聚焦于“思考”本身。
让电子坐上“火箭”
“破晓”是怎么冲破亚纳秒大关的？咱们得先从闪存的工作原理说起。
一般来说，闪存完成写入，就是把存储在闪存中的数据加载到内存中展开运算。现有闪存的工作方式，就好比厨师做饭时，一次次从满满当当的冰箱里搬出食材。但电脑中这样的“搬运”不仅耗时，还极其耗电。就算掌勺的CPU是一位“厨神”，只要食材无法迅速放上案板，出餐的效率都会大打折扣。
周鹏、刘春森团队的想法是，让一次次搬运“提速”终归是小修小补，不如彻底改变食材运输的方式。没错，他们要从底层物理逻辑下手了。
复旦大学刘春森教授（左二）和周鹏教授（左一）在实验室指导团队进行研发破除思维定式，谈何容易！研究团队用5年时间，才辟出一条“无极限注入”的新路。如果执着于“爬楼梯”本身，速度怎么也快不了。但如果转换思路，让电荷“双脚离地”，直接从低能态跃迁至高能态，“乘火箭”登顶，速度就能获得极大突破。
无极限注入，正是这枚“火箭”。“通过加热和加速，让电子获得高能量后直接飞进存储层。更妙的是，它还支持电子与空穴的双向注入，使整体写入更加灵活高效。”刘春森说。
当然，材料的突破也极为关键。“破晓”没有使用传统硅材料，而是采用仅一个原子层厚的二维材料——狄拉克石墨烯。电子在其中几乎无阻力地穿行，速度飞快。配上其他多种材料，各司其职地承担导电、绝缘、存储功能，更为电子“飞驰”创造了条件。
一场革命的“破晓”
看到这里也许你会犯嘀咕：为闪存提速，真有那么重要？让咱们看看事实吧！
看人工智能——满血版AI大模型需要快速处理海量数据（每秒工作10亿次才理想），如果存储速度上不去，数据读取和写入的延迟会拖累计算效率，限制AI模型的训练和实时应用能力。
看云计算——云服务依赖于大规模数据存储和快速访问。存储速度拖后腿会导致服务响应迟缓，限制计算能力，影响用户体验。
看大数据——如果海量数据的分析处理遇到慢速存储，不仅会延长分析时间，实时决策的效率也将大打折扣。
再看通信工程——在5G乃至未来的6G网络中，高速数据存储和传输是低延迟、高带宽通信的基础，存储速度同样是一项关键瓶颈。
过去很长一段时间，全球闪存产业的核心瓶颈在于速度不够、性能受限，难以支撑AI计算、边缘计算等对高吞吐、低时延有极高要求的新兴应用场景。“尤其对中国厂商而言，在核心技术和市场份额上长期处于追赶者的位置，如何把握闪存领域技术重塑的关键时机实现技术和市场突破，是我国闪存产业的危与机。”刘春森直言。
“破晓”的出现无疑是一场及时雨。它不仅让存储变得更快，还改写了数据的流动与使用逻辑。自此，存储与内存之间的界限将变得模糊，数据就好比食材放在厨师手边，随取随用，烹饪再不必担心“无米可炊”。
周鹏-刘春森团队研制的“破晓（PoX）”皮秒闪存器件我们可以大胆畅想，未来的电脑、手机将不再有内存和硬盘之分，所有数据都存储在统一的超高速非易失性存储器中。开机秒开，程序秒启，那都是基本操作。
目前，复旦研究团队正以“破晓”原型器件为起点，加速推进皮秒闪存器件的产业化。“我们在同步开展一项小规模量产工作。”刘春森介绍，结合标准CMOS工艺，他们成功获得了可支持高速读写、存储的皮秒闪存器件，这类器件同时具备AI相关的矩阵运算能力。
刚刚研发出这一皮秒闪存器件的时候，周鹏将其命名为“破晓”——不仅“破”字与“皮秒”的“皮”谐音，“破晓”也是指一天中曙光初现的时刻。“我们希望，这项技术可以帮助中国半导体产业度过黎明前最黑暗的那段时光。”（实习生谢绵霞参与采写）
【责任编辑:陈听雨】
