中國科學家在存儲芯片的新突破，有望實現換道超車提升算力

隨著人工智能技術快速發展，市場對算力的需求越來越大。作為算力的基石，存儲芯片所帶來的數據交互延時與功耗問題，是制約算力提升的瓶頸，而中國科學家的新發現有望破解這一困局。

近日，復旦大學周鵬-劉春森團隊在室溫單電子非易失性量子存儲技術上取得突破。該成果不僅打破了量子效應在極低溫下穩定觀測的物理限制，更實現了“單個電子表示一個信息比特”的物理極限，將存儲功耗呈幾何級數降低。

金葉子/攝

這一“換道超車”的原創性成果于北京時間7月17日凌晨2點發表于《科學》（Science）主刊，Science對此給予了評價：“前景廣闊、潛在高影響力，在存儲物理學和納米器件工程領域備受關注”；“引入新理論機制（態密度剪刀），使得量子態的工程化操控成為可能”。

周鵬教授接受第一財經采訪時介紹，團隊計劃于今年下半年正式成立初創公司，首期目標是完成基于現有半導體產線改造的芯片驗證。

利用現有工藝實現換道超車

此前，周鵬-劉春森團隊通過對麥克斯韋第一方程的深入認知與闡釋，研制出世界最快400皮秒“破曉（PoX）”閃存器件，解決了自1967年浮柵晶體管發明后高速與非易失無法兼得的基礎性難題；并融入CMOS工藝研發出“長纓（CY-01）”混合架構全功能閃存芯片，被Nature評價為“原創性突破”，入選2025年度“中國科學十大進展”。

“破曉”是黎明初現，“長纓”是執劍在手。當人類最快的電子存儲速度被“破曉”開啟后，那它的密度極限又在哪里？作為不可分割的基本粒子，電子在理論上是構筑最小數據單元的終極載體——單電子存儲。然而，由于其深涉基本粒子的量子行為，長期以來被科學界視為“理論上可行、實驗中無法觀測”的空中樓閣，其實際應用更是曾被認為遙不可及。

最新技術的動態隨機存儲器（DRAM）需要在器件中保持20萬個電子才能夠獨立表示一個信息位，限制了高密度的可能性。如果把存儲電荷的器件看成一個“大水庫”，在以往的技術中，需要把水庫蓄滿才知道里面是否有水，但水庫同時還在不斷漏水。復旦大學周鵬-劉春森團隊通過改變“水庫”結構，用“一滴水”即可“無泄漏”地感知世界。這是因為當電荷存儲器件的尺度逼近物理極限時，微觀世界的量子效應將急劇放大。此時，僅僅存儲“一個”電子，就足以讓器件的狀態發生顯著改變。

什么叫“單電子存儲”，周鵬比喻，過去我們需要往“房間”里塞滿20萬人，才能感知到“有人”；現在由于器件極其微小且敏感，哪怕只進來一個人（一個電子），房間的整體電勢就會發生劇烈變化并被精準捕捉。

“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），是迄今為止世界上最快的半導體電荷存儲技術，復旦大學供圖

破解“室溫”難題

團隊首次在室溫（27℃）環境下，清晰觀測到了單電子的非易失性存儲行為。團隊將這一技術帶入室溫環境，破解了其走向產業化的最大瓶頸。這種宏觀可觀測的量子化行為在科學界一直被默認只能在極低溫環境下出現。例如，2025年斬獲諾貝爾物理學獎的“電路中宏觀量子隧穿與能級量子化”研究，其關鍵實驗是在接近絕對零度的極低溫（約-272℃）下完成。

團隊不但實現在量子存儲窗口上的跨越，而且在基礎上顛覆性創新，首次提出了“態密度剪刀”理論。劉春森介紹，通過構筑雙狄拉克結構，在微觀世界中能夠引入了無法容納電子的“零態密度”區間，從而實現量子態的操控。基于這種全新的“剪刀機制”，團隊在世界上首次揭示了一種前所未見的反常量子存儲行為：在能量空間中用一把無形的“量子剪刀”將特定的量子態精準“裁剪”使其憑空消失。這一成果不僅開創了單電子量子存儲的全新理論體系，更為量子存儲走向工程應用，拼上了至關重要的一塊理論版圖。

至于產業落地，當前數據中心面臨的最大瓶頸在于存算交互過程中的能耗損失（數據搬運功耗往往是計算功耗的數倍）。本技術不僅能提供超低功耗的存儲陣列，更能通過半導體后道集成技術（BEOL），將存儲單元直接集成在計算單元上方，使信息傳輸距離縮短至百納米級。這種極佳的“存算一體”特性，能從源頭上解決算力中心的能耗痛點，賦能國家“東數西算”戰略。

論文第一作者向昱桐，金葉子/攝

復旦大學集成芯片與系統全國重點實驗室、集成電路與微納電子創新學院青年研究員劉春森和教授周鵬為論文通訊作者，劉春森和博士生向昱桐為論文第一作者。研究工作得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、上海市基礎研究特區計劃等項目的資助，以及教育部集成攻關大平臺的支持。