中国科学家在存储芯片的新突破，有望实现换道超车提升算力

来源：第一财经

随着人工智能技术快速发展，市场对算力的需求越来越大。作为算力的基石，存储芯片所带来的数据交互延时与功耗问题，是制约算力提升的瓶颈，而中国科学家的新发现有望破解这一困局。

近日，复旦大学周鹏-刘春森团队在室温单电子非易失性量子存储技术上取得突破。该成果不仅打破了量子效应在极低温下稳定观测的物理限制，更实现了“单个电子表示一个信息比特”的物理极限，将存储功耗呈几何级数降低。

金叶子/摄

这一“换道超车”的原创性成果于北京时间7月17日凌晨2点发表于《科学》（Science）主刊，Science对此给予了评价：“前景广阔、潜在高影响力，在存储物理学和纳米器件工程领域备受关注”；“引入新理论机制（态密度剪刀），使得量子态的工程化操控成为可能”。

周鹏教授接受第一财经采访时介绍，团队计划于今年下半年正式成立初创公司，首期目标是完成基于现有半导体产线改造的芯片验证。

利用现有工艺实现换道超车

此前，周鹏-刘春森团队通过对麦克斯韦第一方程的深入认知与阐释，研制出世界最快400皮秒“破晓（PoX）”闪存器件，解决了自1967年浮栅晶体管发明后高速与非易失无法兼得的基础性难题；并融入CMOS工艺研发出“长缨（CY-01）”混合架构全功能闪存芯片，被Nature评价为“原创性突破”，入选2025年度“中国科学十大进展”。

“破晓”是黎明初现，“长缨”是执剑在手。当人类最快的电子存储速度被“破晓”开启后，那它的密度极限又在哪里？作为不可分割的基本粒子，电子在理论上是构筑最小数据单元的终极载体——单电子存储。然而，由于其深涉基本粒子的量子行为，长期以来被科学界视为“理论上可行、实验中无法观测”的空中楼阁，其实际应用更是曾被认为遥不可及。

最新技术的动态随机存储器（DRAM）需要在器件中保持20万个电子才能够独立表示一个信息位，限制了高密度的可能性。如果把存储电荷的器件看成一个“大水库”，在以往的技术中，需要把水库蓄满才知道里面是否有水，但水库同时还在不断漏水。复旦大学周鹏-刘春森团队通过改变“水库”结构，用“一滴水”即可“无泄漏”地感知世界。这是因为当电荷存储器件的尺度逼近物理极限时，微观世界的量子效应将急剧放大。此时，仅仅存储“一个”电子，就足以让器件的状态发生显著改变。

什么叫“单电子存储”，周鹏比喻，过去我们需要往“房间”里塞满20万人，才能感知到“有人”；现在由于器件极其微小且敏感，哪怕只进来一个人（一个电子），房间的整体电势就会发生剧烈变化并被精准捕捉。

“破晓（PoX）”皮秒闪存器件，其擦写速度可提升至亚1纳秒（400皮秒），是迄今为止世界上最快的半导体电荷存储技术，复旦大学供图

破解“室温”难题

团队首次在室温（27℃）环境下，清晰观测到了单电子的非易失性存储行为。团队将这一技术带入室温环境，破解了其走向产业化的最大瓶颈。这种宏观可观测的量子化行为在科学界一直被默认只能在极低温环境下出现。例如，2025年斩获诺贝尔物理学奖的“电路中宏观量子隧穿与能级量子化”研究，其关键实验是在接近绝对零度的极低温（约-272℃）下完成。

团队不但实现在量子存储窗口上的跨越，而且在基础上颠覆性创新，首次提出了“态密度剪刀”理论。刘春森介绍，通过构筑双狄拉克结构，在微观世界中能够引入了无法容纳电子的“零态密度”区间，从而实现量子态的操控。基于这种全新的“剪刀机制”，团队在世界上首次揭示了一种前所未见的反常量子存储行为：在能量空间中用一把无形的“量子剪刀”将特定的量子态精准“裁剪”使其凭空消失。这一成果不仅开创了单电子量子存储的全新理论体系，更为量子存储走向工程应用，拼上了至关重要的一块理论版图。

至于产业落地，当前数据中心面临的最大瓶颈在于存算交互过程中的能耗损失（数据搬运功耗往往是计算功耗的数倍）。本技术不仅能提供超低功耗的存储阵列，更能通过半导体后道集成技术（BEOL），将存储单元直接集成在计算单元上方，使信息传输距离缩短至百纳米级。这种极佳的“存算一体”特性，能从源头上解决算力中心的能耗痛点，赋能国家“东数西算”战略。

论文第一作者向昱桐，金叶子/摄

复旦大学集成芯片与系统全国重点实验室、集成电路与微纳电子创新学院青年研究员刘春森和教授周鹏为论文通讯作者，刘春森和博士生向昱桐为论文第一作者。研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、上海市基础研究特区计划等项目的资助，以及教育部集成攻关大平台的支持。