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嘉峪檢測網(wǎng) 2025-10-24 23:29
導(dǎo)語：近日，復(fù)旦大學(xué)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院周鵬、劉春森團隊率先研發(fā)出全球首顆二維-硅基混合架構(gòu)閃存芯片（2D flash），實現(xiàn)了400皮秒超高速非易失存儲，是迄今最快的半導(dǎo)體電荷存儲技術(shù)。
圖 1 二維-硅基混合架構(gòu)閃存芯片結(jié)構(gòu)示意圖
一、二維超快閃存的基本特性
二維超快閃存中“二維”是什么含義
二維超快閃存中的“二維”指利用具有一定柔性的二維材料作為電子通道，通過原子級（厚度僅 1～3 個原子層，約0.5~1 納米）平整結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電子高速遷移，突破了傳統(tǒng)硅基材料速度瓶頸。
圖 2 二維-硅基混合架構(gòu)閃存芯片光學(xué)顯微照片
技術(shù)背景
傳統(tǒng)閃存采用硅材料作為電子通道，電子移動易受散射、能量低，類似“面包車在擁堵道路行駛”。而二維材料（如石墨烯、二氧化鉬MoS?、二硒化鎢WSe?等）具有原子級平整結(jié)構(gòu)，電子加速快、極低散射，如同“法拉利在高速公路行駛”，可實現(xiàn)400皮秒（1皮秒=萬億分之一秒）的超快寫入速度。
當(dāng)下最快的存儲器速度在1-30納秒，但均為斷電即丟失數(shù)據(jù)的易失性存儲器；而傳統(tǒng)閃存雖能存留數(shù)據(jù)，存儲速度卻比處理器芯片工作速度落后上萬倍。
400皮秒延遲徹底打破了“存儲壁壘”，讓數(shù)據(jù)存取速度首次匹配GPU算力；其二維材料天然特性使功耗降低67%。
更令人振奮的是，這項技術(shù)可直接嫁接現(xiàn)有成熟的硅基CMOS 工藝，大大減少了新的產(chǎn)線投資。
關(guān)鍵創(chuàng)新
復(fù)旦大學(xué)團隊通過創(chuàng)新實現(xiàn)多項突破：
材料革命：開發(fā)原子級平整二維材料工藝
- 二維材料優(yōu)勢：石墨烯（電子遷移率200,000 cm²/V·s）與二硫化鉬（帶隙1.8 eV）形成范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)原子級厚度存儲單元（僅0.65nm）
- 量子隧穿效應(yīng)：通過精準(zhǔn)控制量子隧穿電流（精度達皮安級），實現(xiàn)電荷存儲與讀取。
圖 3 二維-硅基混合架構(gòu)閃存芯片透射電子顯微鏡照片
核心工藝：解決了二維存儲電路與標(biāo)準(zhǔn)CMOS不兼容的工程化問題
- 長纓架構(gòu)：通過模塊化的集成方案，先將二維存儲電路（需要平整的襯底）與成熟CMOS電路分離制造，再與CMOS控制電路通過高密度微米尺度通孔（如同樂高積木的凸起和凹槽)把兩者“扣”在一起，實現(xiàn)完美芯片集成。
- 超高良率：這種設(shè)計繞開了CMOS襯底不平整的難題，芯片集成良率達94.3%。
圖 4 封裝后的二維-硅基混合架構(gòu)閃存芯片（帶測試板）
二、與 3D NAND 的性能對比
二維超快閃存（基于二維材料的新型閃存技術(shù)）與3D NAND（立體堆疊閃存技術(shù)）在核心性能、技術(shù)原理和應(yīng)用場景上存在顯著差異，具體對比如下：
核心技術(shù)原理差異
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二維超快閃存 |
3D NAND |
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核心技術(shù) |
利用原子級厚度二維材料作為電子通道，通過原子級平整結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電子高速遷移，突破傳統(tǒng)硅基材料的速度瓶頸 |
微米級厚度，通過垂直堆疊存儲單元（如“蓋樓房”）提升存儲密度 |
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結(jié)構(gòu)特點 |
依賴材料本身的電子特性優(yōu)化速度 |
層數(shù)是核心競爭指標(biāo)（如32層、128層等），層數(shù)越多存儲密度越高 |
關(guān)鍵性能指標(biāo)對比
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性能指標(biāo) |
二維超快閃存 |
3D NAND |
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寫入速度 |
寫入速度可達400皮秒（1皮秒=10?¹²秒），比現(xiàn)有最快閃存快上千倍 |
隨機寫入速度仍受限于NAND閃存的物理機制（微秒級） |
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存儲密度 |
目前階段以速度突破為目標(biāo)，密度尚待提高 |
通過垂直堆疊實現(xiàn)大容量，單Die容量已從早期128GB發(fā)展到1TB以上 |
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擦寫次數(shù) |
待充分驗證：二維材料的電荷保持能力和循環(huán)壽命需長期測試。 |
3D NAND通過優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)（如減少干擾），耐久性優(yōu)于2D NAND，企業(yè)級產(chǎn)品擦寫次數(shù)可達數(shù)10萬次 |
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功耗 |
二維材料電子遷移效率高，無需高壓操作。0.644pJ/bit |
3～5pJ/bit 量級。隨層數(shù)增加可能導(dǎo)致散熱和控制電路功耗上升 |
當(dāng)前狀態(tài)及應(yīng)用場景
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二維超快閃存 |
3D NAND |
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當(dāng)前狀態(tài) |
實驗室突破階段：復(fù)旦大學(xué)等團隊已驗證原理，工程化需解決材料量產(chǎn)和成本問題 |
商用成熟階段：三星、長江存儲等廠商已實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，層數(shù)持續(xù)提升 |
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應(yīng)用前景 |
需超高速數(shù)據(jù)讀寫的場景：如AI實時推理、自動駕駛傳感器數(shù)據(jù)緩存、高頻交易等 |
大容量存儲場景：如智能手機、SSD、數(shù)據(jù)中心云存儲、企業(yè)級服務(wù)器 |
復(fù)旦大學(xué)研發(fā)的新型電荷存儲技術(shù)，意味著其傳輸速度比普通U盤快了近20萬倍，數(shù)據(jù)刷新時間也是內(nèi)存技術(shù)的上千倍。與此同時，數(shù)據(jù)在寫入之后保存年限非常久。即使無外界能量輸入，信息也可以保存最多10年。不僅如此，數(shù)據(jù)的存儲時長甚至實現(xiàn)了按需定制：人們可以自主設(shè)置數(shù)據(jù)信息在設(shè)備中的存儲時間，最短10秒，最久10年，過期就自動消失。這些全新特性不僅在高速內(nèi)存中可以極大降低存儲功耗，同時還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效期截止后自然消失，在特殊的保密場景中有極大的應(yīng)用價值。
三、AI 時代的數(shù)據(jù)糧倉
團隊的下一步計劃：用3-5年時間把芯片存儲容量從現(xiàn)在的“K級”提升到“M級”。
二維器件具有天然的訪問速度優(yōu)勢，可突破閃存本身速度、功耗、集成度的平衡。人工智能時代，當(dāng)下的AI系統(tǒng)瓶頸正在從前端的算力轉(zhuǎn)向后端的存儲和數(shù)據(jù)，未來的模型會越來越龐大。期待該成果以更快速度從實驗室走向大規(guī)模應(yīng)用，融入個人電腦、移動端設(shè)備等場景，撬動一個每年600億美金的巨大市場變革。
展望二維-硅基混合架構(gòu)閃存芯片的未來，周鵬-劉春森團隊期待該技術(shù)顛覆傳統(tǒng)存儲器體系，讓通用型存儲器取代多級分層存儲架構(gòu)，為人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿領(lǐng)域提供更高速、更低能耗的數(shù)據(jù)支撐，讓二維閃存成為AI時代的標(biāo)準(zhǔn)存儲方案。
來源：Internet
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