AI聊着聊着就失忆？复旦摘取电荷存储“圣杯”，手机低功耗跑大模型将成可能

如果把存储电荷的器件看成一个“水库”，以往需要把水库蓄满才知道里面是否有水。但麻烦的是，这个水库同时还在不停地漏水。现在，复旦大学集成电路与微纳电子创新学院周鹏-刘春森团队，改变“水库”结构，用“一滴水”即可“无泄漏”地感知“水库”的变化。这意味着，原来存储一个最简单的信息需要20万个电子，现在1个电子就够了，能耗随之断崖式下降。

这项被命名为“归壹”的量子闪存器件，摘取了电荷存储领域一座“圣杯”——单电子存储。

北京时间7月17日凌晨，这一突破性成果发表于国际权威期刊《科学》。

【AI聊着聊着就“跑偏”了】

要理解这项突破的意义，不妨先了解一下存储芯片的困境。

如今的AI大模型为什么聊着聊着就“跑偏”了？根本原因在于存储。当前主流的存储器（DRAM）速度虽快，但有一个致命弱点：断电后数据会丢失，记不住上下文。为确保信息不丢失，每存一个最简单的信息，需要动用20万个电子——相当于一个房间必须挤满20万个人，才能确认“有人”。

而闪存（Flash）虽然非易失，即断电后数据不会消失，但速度太慢。AI每次调用数据都像在仓库里翻找文件，快不起来。

那么，能否同时实现高速、非易失和极低能耗？科学家把目光投向了信息电荷存储的量子极限——用一个电子存储一比特信息。然而，这条路一度被认为几乎无法走通。上世纪末，美国科学家试图在实验室观测单电子存储时，它仅仅发生了数十毫伏的电压变化，且在不到5秒的时间就消失了。这场昙花一现的实验，一度让全球科学界对单电子存储的观测与应用不抱希望。

【“我们把椅子搬走了”】

此次，研究团队最大的突破在于，重新设计了存储结构。他们利用二维半导体材料原子级的厚度，造了一个小到极致的“房间”。当存储单元小到极致，量子效应开始显现——哪怕只进来“一个人”（一个电子），整个房间的状态都会发生显著变化，从而被清晰地观测到。

值得一提的是，单个电子进出“房间”，整个房间的电压变化高达0.5伏特——这个信号比过去同类实验强了约十倍，足够在室温的“嘈杂环境”中被识别，还能直接对接现有芯片工艺。

室温下做到这一点，是一大突破。对单个电子的量子化观测，科学界一直默认只能在极低温环境下实现，复旦团队的“归壹”器件在27℃的室温环境下做到了。

团队提出了“态密度剪刀”理论，实现对单电子量子态的工程化操控。“我们把椅子搬走了。”周鹏开玩笑说。电子想在存储层“安家”，需要一个能待的位置，就像一个人要坐下，得先有一把椅子。团队做了一件巧妙的事：利用石墨烯独特的态密度分布，如同挥动一把“剪刀”，精准搬走房间里的某一把“椅子”。电子进入后找不到对应的位置，这个电子对应的量子态也就被选择性“裁去”。这不仅让单电子存储有了理论支撑，更让单电子量子态由过去的“偶然看见”，变成了今天的“精准操控”。

《科学》对此给予高度评价，认为这项研究“前景广阔、具有潜在的高影响力，在存储物理学和纳米器件工程领域备受关注”，并指出其“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”。

【力争3到5年实现商业化】

这已不是周鹏-刘春森团队在存储芯片领域的第一次突破。

去年4月，他们成功研制“破晓”闪存器件，擦写速度达到400皮秒，比传统闪存的擦写速度快100万倍，是人类迄今掌握的最快半导体电荷存储器件。

仅半年后团队再下一城，研制了原子芯片集成框架“长缨”，将“破晓”与硅基工艺平台深度融合，率先实现全球首颗二维-硅基混合架构闪存芯片。该成果入选了2025年度“中国科学十大进展”。

团队的追问没有停止——电子存储密度的极限又在哪里？“归壹”就是他们的答案。

“归壹”取自“芥子须弥，大道归一”，有三层含义：电子英文缩写（E）的谐音；一个电子的存储，这是信息存储的最小物理极限；存储归于一统，同时实现高速、非易失、低功耗。

对普通人而言，这项技术最直接的影响是：在手机上低功耗运行大模型成为可能，AI不会聊着聊着就“失忆”。

能耗的断崖式下降，使得这项技术的成本远低于现有技术。数据传输效率的大幅提升，有望打破数据搬运速度跟不上计算的瓶颈。这意味着，这项技术撬动的将是万亿级市场。据透露，团队今年下半年将成立一家公司，力争3到5年实现商业化。

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