半月談?dòng)浾?張漫子

當(dāng)與AI大模型聊天時(shí)，你是否經(jīng)歷過(guò)“思考中……”的焦急等待?打開(kāi)一款游戲，為什么進(jìn)度條會(huì)卡在99%處不動(dòng)?當(dāng)運(yùn)行一個(gè)大工程文件時(shí)，一個(gè)很微小的調(diào)整為什么也像是“愚公移山”?這些數(shù)字時(shí)代的痛點(diǎn)，都指向一個(gè)問(wèn)題——存儲(chǔ)速度的瓶頸。

從遠(yuǎn)古的結(jié)繩記事到今天的電子存儲(chǔ)，人類對(duì)存儲(chǔ)速度“快”的追求就從未止步。人工智能時(shí)代，存儲(chǔ)速度的最新極限在哪里?最近，中國(guó)科學(xué)家用一項(xiàng)顛覆性成果給出答案。復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、芯片與系統(tǒng)前沿技術(shù)研究院周鵬、劉春森團(tuán)隊(duì)成功研制出“破曉”閃存器件，擦寫速度可達(dá)400皮秒(萬(wàn)億分之一秒)。這是人類目前掌握的最快半導(dǎo)體電荷存儲(chǔ)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(jīng)工作了10億次，換句話說(shuō)，光移動(dòng)12厘米的時(shí)間內(nèi)，幾千個(gè)電子已經(jīng)儲(chǔ)存完畢。這點(diǎn)時(shí)間通常的U盤只能工作1000次?！眲⒋荷嬖V半月談?dòng)浾?，這個(gè)只有拇指蓋大小的小小“破曉”，一秒鐘可執(zhí)行25億次操作，比傳統(tǒng)閃存快了100萬(wàn)倍。如果說(shuō)過(guò)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(shí)驗(yàn)顯示，“破曉”在連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行和編程循環(huán)后依然性能穩(wěn)定。室溫條件下，“破曉”可穩(wěn)定存儲(chǔ)數(shù)據(jù)超過(guò)10年，真正實(shí)現(xiàn)“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(shí)任務(wù)，像內(nèi)存一樣快速響應(yīng)，還能像硬盤一樣長(zhǎng)久保存數(shù)據(jù)，突破短期記憶和長(zhǎng)期記憶之間的“隔斷”。

擦寫速度沖破亞納秒(小于 10-9 秒)大關(guān)的“破曉”，還帶來(lái)了潛在的能效革命。常見(jiàn)的AI硬件約70%的能耗并非消耗在思考與計(jì)算上，而是讓數(shù)據(jù)在內(nèi)存與存儲(chǔ)器之間來(lái)回“折騰”耗掉了。“破曉”的出現(xiàn)，讓數(shù)據(jù)瞬移到計(jì)算單元成為可能，大大縮短等待時(shí)間，自然就減少了搬運(yùn)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(guān)的?咱們得先從閃存的工作原理說(shuō)起。

一般來(lái)說(shuō)，閃存完成寫入，就是把存儲(chǔ)在閃存中的數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存中展開(kāi)運(yùn)算。現(xiàn)有閃存的工作方式，就好比廚師做飯時(shí)，一次次從滿滿當(dāng)當(dāng)?shù)谋淅锇岢鍪巢?。但電腦中這樣的“搬運(yùn)”不僅耗時(shí)，還極其耗電。就算掌勺的CPU是一位“廚神”，只要食材無(wú)法迅速放上案板，出餐的效率都會(huì)大打折扣。

周鵬、劉春森團(tuán)隊(duì)的想法是，讓一次次搬運(yùn)“提速”終歸是小修小補(bǔ)，不如徹底改變食材運(yùn)輸?shù)姆绞健](méi)錯(cuò)，他們要從底層物理邏輯下手了。

復(fù)旦大學(xué)劉春森教授（左二）和周鵬教授（左一）在實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行研發(fā)

破除思維定式，談何容易!研究團(tuán)隊(duì)用5年時(shí)間，才辟出一條“無(wú)極限注入”的新路。如果執(zhí)著于“爬樓梯”本身，速度怎么也快不了。但如果轉(zhuǎn)換思路，讓電荷“雙腳離地”，直接從低能態(tài)躍遷至高能態(tài)，“乘火箭”登頂，速度就能獲得極大突破。

無(wú)極限注入，正是這枚“火箭”?！巴ㄟ^(guò)加熱和加速，讓電子獲得高能量后直接飛進(jìn)存儲(chǔ)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(shuō)。

當(dāng)然，材料的突破也極為關(guān)鍵。“破曉”沒(méi)有使用傳統(tǒng)硅材料，而是采用僅一個(gè)原子層厚的二維材料——狄拉克石墨烯。電子在其中幾乎無(wú)阻力地穿行，速度飛快。配上其他多種材料，各司其職地承擔(dān)導(dǎo)電、絕緣、存儲(chǔ)功能，更為電子“飛馳”創(chuàng)造了條件。

一場(chǎng)革命的“破曉”

看到這里也許你會(huì)犯嘀咕：為閃存提速，真有那么重要?讓咱們看看事實(shí)吧!

看人工智能——滿血版AI大模型需要快速處理海量數(shù)據(jù)(每秒工作10億次才理想)，如果存儲(chǔ)速度上不去，數(shù)據(jù)讀取和寫入的延遲會(huì)拖累計(jì)算效率，限制AI模型的訓(xùn)練和實(shí)時(shí)應(yīng)用能力。

看云計(jì)算——云服務(wù)依賴于大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和快速訪問(wèn)。存儲(chǔ)速度拖后腿會(huì)導(dǎo)致服務(wù)響應(yīng)遲緩，限制計(jì)算能力，影響用戶體驗(yàn)。

看大數(shù)據(jù)——如果海量數(shù)據(jù)的分析處理遇到慢速存儲(chǔ)，不僅會(huì)延長(zhǎng)分析時(shí)間，實(shí)時(shí)決策的效率也將大打折扣。

再看通信工程——在5G乃至未來(lái)的6G網(wǎng)絡(luò)中，高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸是低延遲、高帶寬通信的基礎(chǔ)，存儲(chǔ)速度同樣是一項(xiàng)關(guān)鍵瓶頸。

過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，全球閃存產(chǎn)業(yè)的核心瓶頸在于速度不夠、性能受限，難以支撐AI計(jì)算、邊緣計(jì)算等對(duì)高吞吐、低時(shí)延有極高要求的新興應(yīng)用場(chǎng)景?！坝绕鋵?duì)中國(guó)廠商而言，在核心技術(shù)和市場(chǎng)份額上長(zhǎng)期處于追趕者的位置，如何把握閃存領(lǐng)域技術(shù)重塑的關(guān)鍵時(shí)機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)和市場(chǎng)突破，是我國(guó)閃存產(chǎn)業(yè)的危與機(jī)。”劉春森直言。

“破曉”的出現(xiàn)無(wú)疑是一場(chǎng)及時(shí)雨。它不僅讓存儲(chǔ)變得更快，還改寫了數(shù)據(jù)的流動(dòng)與使用邏輯。自此，存儲(chǔ)與內(nèi)存之間的界限將變得模糊，數(shù)據(jù)就好比食材放在廚師手邊，隨取隨用，烹飪?cè)俨槐負(fù)?dān)心“無(wú)米可炊”。

周鵬-劉春森團(tuán)隊(duì)研制的“破曉（PoX）”皮秒閃存器件

我們可以大膽暢想，未來(lái)的電腦、手機(jī)將不再有內(nèi)存和硬盤之分，所有數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在統(tǒng)一的超高速非易失性存儲(chǔ)器中。開(kāi)機(jī)秒開(kāi)，程序秒啟，那都是基本操作。

目前，復(fù)旦研究團(tuán)隊(duì)正以“破曉”原型器件為起點(diǎn)，加速推進(jìn)皮秒閃存器件的產(chǎn)業(yè)化?！拔覀?cè)谕介_(kāi)展一項(xiàng)小規(guī)模量產(chǎn)工作?！眲⒋荷榻B，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，他們成功獲得了可支持高速讀寫、存儲(chǔ)的皮秒閃存器件，這類器件同時(shí)具備AI相關(guān)的矩陣運(yùn)算能力。

剛剛研發(fā)出這一皮秒閃存器件的時(shí)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(xiàn)的時(shí)刻?！拔覀兿Ｍ?，這項(xiàng)技術(shù)可以幫助中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)度過(guò)黎明前最黑暗的那段時(shí)光?！?實(shí)習(xí)生謝綿霞參與采寫)

編輯：范鐘秀