75岁华人物理学家突破闪存长生不老技术，擦写次数突破10亿次大关

“我基本没有什么娱乐。我的娱乐就是不断吸收知识，在我所在的行业里动脑筋。 ” 物理学家卢志远告诉 DeepTech。值得一提的是，现年 75 岁的他，依然每天保持 14 个小时的工作状态。日前，因在非易失性半导体存储单元密度、器件集成度和数据可靠性领域的发明和引领的贡献，卢志远获得 2025 未来科学大奖“数学与计算机科学奖”。

图丨卢志远（来源：资料图）

大幅提升擦写次数和容量密度，让闪存实现“长生不老”

据了解，和易失性半导体完全不同的是，非易失性半导体是一种在断电后仍能保持存储数据不丢失的存储技术，它在电子设备中承担着长期数据存储的核心功能，因而被广泛应用于计算机、移动设备、物联网、嵌入式系统等领域。

我们日常生活中经常提到的闪存，就是常见的非易失性半导体类型。它基于浮栅场效应晶体管，通过向浮栅注入或移除电荷来存储数据，电荷的存在与否对应“0”和“1”。

目前的闪存分为 NAND 闪存和 NOR 闪存两种，前者容量大、读写速度较快，常用于 U 盘、固态硬盘等，后者随机读取速度快，但容量较小、成本也高，多用于嵌入式系统的固件存储。

不过，由于两种闪存均需通过“擦除-写入”循环更新数据，因此擦写次数（耐久性）和容量密度是闪存的两个核心性能指标。

过去几十年，在推动闪存擦写次数提升和容量密度优化这两个方面，卢志远做出了重要贡献。

具体来说：

传统闪存基于量子隧穿效应能实现电子的“穿墙”式存储（电子注入/移除浮栅存储数据），但反复擦写却容易导致存储单位的“墙壁”，即材料结构，因原子被撞歪而发生损坏。（编者注：传统闪存通常仅能承受大约 1 万次擦写。）

在这方面，卢志远和团队发现，当存储单元的原子因反复隧穿被撞得“七倒八歪”时，可以利用加热的方法使原子重新调整位置、恢复有序结构，就像把“墙壁”重新进行修复一样。也就是说，只要在擦写次数达到 5000 次左右时启动加热修复，就能使存储单元恢复如新。

那么，采用卢志远团队研发的自我修复技术的新一代闪存，其擦写次数能从传统闪存的 1 万次大幅提升至 1 亿次、10 亿次甚至更高。

进一步地，由于该自我修复技术让闪存可通过加热修复受损结构，团队在实验时即使达到极高的擦写次数，也未发现明确寿命极限，因此这类新一代闪存被称为“永远的闪存”，实现了“长生不老”。

在单位面积内集成更多的存储单元，是闪存容量密度提升的关键。

在这方面，卢志远通过工艺缩小和 3D 堆叠实现密度突破。其中，前者是在遵循摩尔定律的基础上，减小单个存储单元的尺寸；后者则是以垂直的方式堆叠存储单元，而不是依赖平面缩小。

卢志远表示：“目前已经实现一个指甲盖大小的芯片，可存1万亿比特（1 兆比特）的数据。”

与此同时，他也预测，在现有的技术框架下，通过持续优化材料和工艺，容量密度还能在现有基础上再提升 100 倍，进一步拓展高密度存储的应用空间。

显然，卢志远的技术对非易失性器件的可扩展性和量产性具有重要的推动意义。那么，他在面对材料-器件-系统之间的协同问题时，又有哪些关键的技术取舍或决策瞬间？

卢志远指出，该问题在产业界非常关键。“你做出来的东西，不管是闪存还是其他，只是整个系统里的一个元件，必须配合系统达到功能最强。”他说。

因此，他认为关键技术取舍主要体现在对器件设计与系统需求的深度匹配上，核心是跳出单一器件性能优化的局限，从系统整体成本和效率出发做决策。

他以调整闪存输出通道为例。传统闪存设计中，输出端有 16 只脚，其中 8 只用于平行输出信号，理论上能实现更快的数据传输速度，但卢志远和团队发现，如果从系统层面来看，多通道设计存在明显弊端，系统布线时需对应拉出 16 条线，这不仅会增加布线成本，还提升了系统复杂度。因此，基于对系统实际需求的分析，他们决定将输出通道从 8 个缩减为 1 个，看似降低了单个器件的理论传输速度，却能带来显著的系统级收益，系统仅需拉出 8 条线，大幅降低了布线成本和难度。

实际上，除了前面提到的通过片上自修复功能实现高可靠性存储，卢志远开发的新一代非易失性存储器（NVM，non-volatile memory）技术，还包括高密度每单元 4 比特 NVM 存储、微缩至深度纳米的 BE-SONOS 器件、三维单栅垂直沟道结构 NVM，以及先进的三维 NOR 闪存技术。基于上述发明，他带领团队成功开发了新一代 NVM 存储产品，为非易失性存储技术的未来奠定了技术基础，进一步推动了人工智能、移动通信、云计算及边缘计算等领域的广泛应用。他也凭此获得 2025 未来科学大奖“数学与计算机科学奖”。

兴趣引领研究道路，数十年如一日在半导体领域深耕

1950 年，卢志远出生于广州市，其父卢善栋为中国台湾矿业工程界泰斗，其母名唤唐又贞。值得一提的是，其胞弟卢超群也从事半导体行业，现任钰创科技董事长。

1972 年，卢志远本科毕业于国立台湾大学物理系，后又在美国哥伦比亚大学先后获得物理学硕士和博士学位。

令人好奇的是，在 NVM 技术领域做出开创性工作的他，是如何走上半导体研究道路的？又为何决定在半导体、集成电路以及应用物理领域深耕？

据卢志远透露，他在 20 世纪 70 年代学习物理学期间，就对半导体材料介于导体与非导体间的独特导电性，产生了强烈兴趣。在对该材料有了进一步了解后，他自然而然地想通过利用它，来推动社会和技术进步。他认为，科学启发技术、技术反哺科学。研究半导体，恰好体现了科学与技术之间的互动循环，这使他乐在其中。

并且，半导体从 1965 年开始向集成电路发展，而他则在 1970 年代读完大学和研究生。这一与半导体技术发展同步的学习过程，减少了他积累该领域基础知识的负担，让他得以非常顺畅地跟进前沿，并为后来在该领域的深耕打下坚实基础。

1977 年博士毕业后，他先任教于国立交通大学，1984 年受聘至美国贝尔实验室领导研究计划。在该实验室的经历给他的研究思路带来深刻影响，让他既重视基础科学的“know why（原理探究）”，也注重技术落地的“know how（实践方法）”。

1980 年代末，集成电路领域面临“one micron barrier（一微米障碍）”，学界和业界普遍认为芯片尺寸无法突破一微米。基于此，1989 年，卢志远受邀回到台湾，在工业技术研究院主持经济部次微米计划，完成了台湾动态随机存储器技术的独立研发和量产，让该地区具备 8 寸晶圆产制能力。而此次突破，也为后续芯片向纳米级发展奠定了基础。

1994 年，基于次微米计划，集成电路公司世界先进创立，卢志远为该公司共同创始人并担任副总经理，后于 1998 年升任为总经理，成为台湾动态随机存储器产业的重要推手。

1999 年，他加入旺宏电子，专注提升该公司创新非挥发性记忆体的研发技术与制造能力。2003 年，他升任资深副总经理；2007 年升任总经理。二十余年来，他带领旺宏电子在前沿记忆体技术研发方面不断取得突破成果，推动该公司成为全球排名前列的记忆体大厂。

任职旺宏电子的同年，他创立了晶圆测试公司欣铨科技。

另外，值得关注的是，卢志远还在科技期刊及国际会议上发表了超过 600 篇技术论文，并拥有 160 多项国际专利。

谈及未来十到二十年半导体领域的核心突破方向，卢志远指出，将体现在利用存算一体技术重构计算架构，以及通过 3D 堆叠技术突破纳米制造极限等方面。前者通过让存储器直接参与逻辑运算，来减少数据搬运、大幅降低能耗，让运算延迟从此前的跨芯片传输缩短至单元内处理。对于后者，针对光刻机在 1 纳米以下的工艺瓶颈，他提出用纵向堆叠替代平面微缩的技术路径，实现半导体密度增长延续 20 年以上。

另外，关于未来中国在基础研究和产业落地上的发展，他也持积极态度。

“二十余年来，中国在科研教育领域投入巨资，培育了大量人才。这些人才正处于三四十岁的科研高产期，国家也为他们提供了广阔发展空间，所以我觉得前途光明，竞争力强劲。”他如是说。

排版：刘雅坤