Mit der rasanten Entwicklung der Technologie der künstlichen Intelligenz steigt die Marktnachfrage nach Rechenleistung. Als Eckpfeiler der Rechenleistung sind die durch Speicherchips verursachten Dateninteraktionsverzögerungen und Stromverbrauchsprobleme Engpässe, die die Verbesserung der Rechenleistung einschränken. Die neue Entdeckung chinesischer Wissenschaftler soll dieses Dilemma lösen. Kürzlich gelang dem Team von Zhou Peng-Liu Chunsen an der Fudan-Universität ein Durchbruch in der nichtflüchtigen Einzelelektronen-Quantenspeichertechnologie bei Raumtemperatur. Diese Errungenschaft durchbricht nicht nur die physikalische Grenze der stabilen Beobachtung von Quanteneffekten bei extrem niedrigen Temperaturen, sondern erreicht auch die physikalische Grenze „ein einzelnes Elektron stellt ein Bit Information dar“ und reduziert den Speicherstromverbrauch geometrisch.
Dieses ursprüngliche Ergebnis von „Spurwechsel und Überholen“ wurde am 17. Juli um 2 Uhr morgens Pekinger Zeit im Hauptjournal „Science“ veröffentlicht. Science kommentierte es wie folgt: „Es hat weitreichende Aussichten und großes Einflusspotenzial und hat in den Bereichen Speicherphysik und Nanogerätetechnik große Aufmerksamkeit erregt“; „Die Einführung eines neuen theoretischen Mechanismus (Zustandsdichteschere) ermöglicht die technische Manipulation von Quantenzuständen.“
Professor Zhou Peng sagte in einem Interview mit China Business News, dass das Team plant, in der zweiten Hälfte dieses Jahres offiziell ein Start-up-Unternehmen zu gründen. Das Ziel der ersten Phase besteht darin, die Chipverifizierung auf der Grundlage der Umgestaltung bestehender Halbleiterproduktionslinien abzuschließen.
Nutzen Sie vorhandene Technologie, um Spurwechsel und Überholvorgänge zu ermöglichen
Zuvor entwickelte das Team von Zhou Peng-Liu Chunsen das weltweit schnellste 400-Pikosekunden-Flash-Speichergerät „Daybreak (PoX)“ durch tiefgreifendes Verständnis und Interpretation der ersten Maxwell-Gleichung und löste damit das Problem des Hochgeschwindigkeits- und nichtflüchtigen Speichers seit der Erfindung des Floating-Gate-Transistors im Jahr 1967. Es löste das Grundproblem beider Wege; und integrierte CMOS-Technologie zur Entwicklung des voll ausgestatteten Flash-Speicherchips „Changying (CY-01)“ mit Hybridarchitektur, der von Nature als „ursprünglicher Durchbruch“ bewertet und im Jahr 2025 zu einem der „Top Ten Fortschritte in der chinesischen Wissenschaft“ gewählt wurde.
„Breaking Dawn“ bedeutet das erste Erscheinen der Morgendämmerung und „Changying“ bedeutet, ein Schwert in der Hand zu halten. Wenn „Dawn“ die schnellste elektronische Speichergeschwindigkeit der Menschheit öffnet, wo liegt dann ihre Dichtegrenze? Als unteilbare Elementarteilchen sind Elektronen theoretisch der ultimative Träger für den Aufbau der kleinsten Dateneinheit – der Einzelelektronenspeicherung. Da es jedoch tief in das Quantenverhalten von Elementarteilchen verwickelt ist, galt es in der wissenschaftlichen Gemeinschaft lange Zeit als ein Luftschloss, das „theoretisch machbar, aber in Experimenten nicht beobachtbar“ sei, und seine praktische Anwendung galt einst als unerreichbar.
Die neueste Technologie des dynamischen Direktzugriffsspeichers (DRAM) erfordert, dass 200.000 Elektronen im Gerät gehalten werden, um unabhängig ein bisschen Information darzustellen, was die Möglichkeit einer hohen Dichte einschränkt. Betrachtet man das Gerät, das die Ladung speichert, als „großes Reservoir“, musste man in der bisherigen Technologie das Reservoir füllen, um zu wissen, ob sich Wasser darin befindet, gleichzeitig ist das Reservoir aber immer noch undicht. Durch die Änderung der Struktur des „Reservoirs“ kann das Team von Zhou Peng-Liu Chunsen an der Fudan-Universität „einen Tropfen Wasser“ nutzen, um die Welt „ohne Leckage“ wahrzunehmen. Denn wenn sich die Größe des Ladungsspeichers der physikalischen Grenze nähert, werden die Quanteneffekte in der mikroskopischen Welt dramatisch verstärkt. An diesem Punkt reicht die Speicherung nur „eines“ Elektrons aus, um den Zustand des Geräts deutlich zu ändern.
Was ist „Einzelelektronenspeicherung“? Zhou Peng verglich es mit der Aussage, dass wir in der Vergangenheit einen „Raum“ mit 200.000 Menschen füllen mussten, bevor wir „jemanden“ spüren konnten; Da die Geräte nun extrem klein und empfindlich sind, ändert sich das Gesamtpotenzial des Raums drastisch und wird genau erfasst, selbst wenn nur eine Person (ein Elektron) hereinkommt.
Das Pikosekunden-Flash-Speichergerät „PoX“ kann seine Lösch- und Schreibgeschwindigkeit auf unter 1 Nanosekunde (400 Pikosekunden) erhöhen. Es handelt sich um die bisher schnellste Halbleiter-Ladungsspeichertechnologie der Welt. Foto mit freundlicher Genehmigung der Fudan-Universität
Lösen Sie das Problem der „Raumtemperatur“.
Das Team beobachtete erstmals eindeutig das nichtflüchtige Speicherverhalten einzelner Elektronen bei Raumtemperatur (27 °C). Das Team brachte diese Technologie in eine Raumtemperaturumgebung und löste den größten Engpass bei ihrer Industrialisierung. Diese Art von makroskopisch beobachtbarem quantisiertem Verhalten wurde in der wissenschaftlichen Gemeinschaft immer davon ausgegangen, dass es nur in Umgebungen mit extrem niedrigen Temperaturen auftritt. Beispielsweise wurde das Schlüsselexperiment der Forschung zu „Makroskopischem Quantentunneln und Energieniveauquantisierung in Schaltkreisen“, die 2025 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, bei extrem niedrigen Temperaturen (ca. -272 °C) nahe dem absoluten Nullpunkt abgeschlossen.
Das Team schaffte nicht nur einen Sprung im Quantenspeicherfenster, sondern führte auch bahnbrechende Innovationen in den Grundlagen durch und schlug erstmals die Theorie der „Zustandsdichteschere“ vor. Liu Chunsen führte ein, dass durch den Aufbau einer doppelten Dirac-Struktur ein Intervall mit „Nullzustandsdichte“, das keine Elektronen aufnehmen kann, in die mikroskopische Welt eingeführt werden kann, wodurch die Kontrolle von Quantenzuständen erreicht wird. Basierend auf diesem brandneuen „Scherenmechanismus“ enthüllte das Team zum ersten Mal auf der Welt ein beispielloses abnormales Quantenspeicherverhalten: Es nutzte eine unsichtbare „Quantenschere“ im Energieraum, um einen bestimmten Quantenzustand präzise zu „schneiden“, sodass er aus der Luft verschwindet. Diese Errungenschaft schafft nicht nur ein neues theoretisches System für die Einzelelektronen-Quantenspeicherung, sondern auch eine entscheidende theoretische Karte für die technische Anwendung der Quantenspeicherung.
Was die Implementierung der Branche angeht, ist der größte Engpass, mit dem Rechenzentren derzeit konfrontiert sind, der Verlust des Energieverbrauchs während des Speicher- und Recheninteraktionsprozesses (der Stromverbrauch für die Datenübertragung beträgt oft ein Vielfaches des Rechenleistungsverbrauchs). Diese Technologie kann nicht nur Speicherarrays mit extrem geringem Stromverbrauch bereitstellen, sondern auch Speichereinheiten direkt auf Recheneinheiten durch Halbleiter-Back-End-Integrationstechnologie (BEOL) integrieren, wodurch die Informationsübertragungsentfernung auf Hunderte von Nanometern verkürzt wird. Diese hervorragende Funktion zur „Speicher- und Computerintegration“ kann die Schwachstellen des Energieverbrauchs von Rechenzentren von Anfang an lösen und die Strategie des Landes „Im Osten rechnen und im Westen rechnen“ stärken.
Liu Chunsen, ein junger Forscher am National Key Laboratory of Integrated Chips and Systems und der School of Integrated Circuits and Micro-Nano Electronics Innovation der Fudan-Universität, und Professor Zhou Peng sind die entsprechenden Autoren des Papiers. Liu Chunsen und der Doktorand Xiang Yutong sind die Erstautoren der Arbeit. Die Forschungsarbeit wurde durch das National Key R&D Program, die National Natural Science Foundation of China, das Shanghai Basic Research Special Zone Program und andere Projekte sowie durch die Unterstützung der integrierten Forschungsplattform des Bildungsministeriums finanziert.