【ZiDongHua 之“自動(dòng)化學(xué)院派”收錄關(guān)鍵詞： 人工智能 邊緣計(jì)算 物聯(lián)網(wǎng) 集成電路】
　　
　　75歲華人物理學(xué)家突破閃存“長(zhǎng)生不老”技術(shù)，擦寫次數(shù)突破10億次大關(guān)｜2025未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)弑R志遠(yuǎn)
 
　　
　　來(lái)源：DeepTech深科技
　　
　　“我基本沒(méi)有什么娛樂(lè)。我的娛樂(lè)就是不斷吸收知識(shí)，在我所在的行業(yè)里動(dòng)腦筋。 ” 物理學(xué)家盧志遠(yuǎn)告訴 DeepTech。值得一提的是，現(xiàn)年 75 歲的他，依然每天保持 14 個(gè)小時(shí)的工作狀態(tài)。日前，因在非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)單元密度、器件集成度和數(shù)據(jù)可靠性領(lǐng)域的發(fā)明和引領(lǐng)的貢獻(xiàn)，盧志遠(yuǎn)獲得 2025 未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)“數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)獎(jiǎng)”。
 
　　圖丨盧志遠(yuǎn)（來(lái)源：資料圖）
　　
　　大幅提升擦寫次數(shù)和容量密度，讓閃存實(shí)現(xiàn)“長(zhǎng)生不老”
　　
　　據(jù)了解，和易失性半導(dǎo)體完全不同的是，非易失性半導(dǎo)體是一種在斷電后仍能保持存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不丟失的存儲(chǔ)技術(shù)，它在電子設(shè)備中承擔(dān)著長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的核心功能，因而被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域。
　　
　　我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常提到的閃存，就是常見(jiàn)的非易失性半導(dǎo)體類型。它基于浮柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，通過(guò)向浮柵注入或移除電荷來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，電荷的存在與否對(duì)應(yīng)“0”和“1”。
　　
　　目前的閃存分為 NAND 閃存和 NOR 閃存兩種，前者容量大、讀寫速度較快，常用于 U 盤、固態(tài)硬盤等，后者隨機(jī)讀取速度快，但容量較小、成本也高，多用于嵌入式系統(tǒng)的固件存儲(chǔ)。
　　
　　不過(guò)，由于兩種閃存均需通過(guò)“擦除-寫入”循環(huán)更新數(shù)據(jù)，因此擦寫次數(shù)（耐久性）和容量密度是閃存的兩個(gè)核心性能指標(biāo)。
　　
　　過(guò)去幾十年，在推動(dòng)閃存擦寫次數(shù)提升和容量密度優(yōu)化這兩個(gè)方面，盧志遠(yuǎn)做出了重要貢獻(xiàn)。
　　
　　具體來(lái)說(shuō)：
　　
　　傳統(tǒng)閃存基于量子隧穿效應(yīng)能實(shí)現(xiàn)電子的“穿墻”式存儲(chǔ)（電子注入/移除浮柵存儲(chǔ)數(shù)據(jù)），但反復(fù)擦寫卻容易導(dǎo)致存儲(chǔ)單位的“墻壁”，即材料結(jié)構(gòu)，因原子被撞歪而發(fā)生損壞。（編者注：傳統(tǒng)閃存通常僅能承受大約 1 萬(wàn)次擦寫。）
　　
　　在這方面，盧志遠(yuǎn)和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)存儲(chǔ)單元的原子因反復(fù)隧穿被撞得“七倒八歪”時(shí)，可以利用加熱的方法使原子重新調(diào)整位置、恢復(fù)有序結(jié)構(gòu)，就像把“墻壁”重新進(jìn)行修復(fù)一樣。也就是說(shuō)，只要在擦寫次數(shù)達(dá)到 5000 次左右時(shí)啟動(dòng)加熱修復(fù)，就能使存儲(chǔ)單元恢復(fù)如新。
　　
　　那么，采用盧志遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的自我修復(fù)技術(shù)的新一代閃存，其擦寫次數(shù)能從傳統(tǒng)閃存的 1 萬(wàn)次大幅提升至 1 億次、10 億次甚至更高。
　　
　　進(jìn)一步地，由于該自我修復(fù)技術(shù)讓閃存可通過(guò)加熱修復(fù)受損結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)時(shí)即使達(dá)到極高的擦寫次數(shù)，也未發(fā)現(xiàn)明確壽命極限，因此這類新一代閃存被稱為“永遠(yuǎn)的閃存”，實(shí)現(xiàn)了“長(zhǎng)生不老”。
　　
　　在單位面積內(nèi)集成更多的存儲(chǔ)單元，是閃存容量密度提升的關(guān)鍵。
　　
　　在這方面，盧志遠(yuǎn)通過(guò)工藝縮小和 3D 堆疊實(shí)現(xiàn)密度突破。其中，前者是在遵循摩爾定律的基礎(chǔ)上，減小單個(gè)存儲(chǔ)單元的尺寸；后者則是以垂直的方式堆疊存儲(chǔ)單元，而不是依賴平面縮小。
　　
　　盧志遠(yuǎn)表示：“目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)指甲蓋大小的芯片，可存 1 萬(wàn)億比特（1 兆比特）的數(shù)據(jù)。”
　　
　　與此同時(shí)，他也預(yù)測(cè)，在現(xiàn)有的技術(shù)框架下，通過(guò)持續(xù)優(yōu)化材料和工藝，容量密度還能在現(xiàn)有基礎(chǔ)上再提升 100 倍，進(jìn)一步拓展高密度存儲(chǔ)的應(yīng)用空間。
　　
　　顯然，盧志遠(yuǎn)的技術(shù)對(duì)非易失性器件的可擴(kuò)展性和量產(chǎn)性具有重要的推動(dòng)意義。那么，他在面對(duì)材料-器件-系統(tǒng)之間的協(xié)同問(wèn)題時(shí)，又有哪些關(guān)鍵的技術(shù)取舍或決策瞬間？
　　
　　盧志遠(yuǎn)指出，該問(wèn)題在產(chǎn)業(yè)界非常關(guān)鍵。“你做出來(lái)的東西，不管是閃存還是其他，只是整個(gè)系統(tǒng)里的一個(gè)元件，必須配合系統(tǒng)達(dá)到功能最強(qiáng)。”他說(shuō)。
　　
　　因此，他認(rèn)為關(guān)鍵技術(shù)取舍主要體現(xiàn)在對(duì)器件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)需求的深度匹配上，核心是跳出單一器件性能優(yōu)化的局限，從系統(tǒng)整體成本和效率出發(fā)做決策。
　　
　　他以調(diào)整閃存輸出通道為例。傳統(tǒng)閃存設(shè)計(jì)中，輸出端有 16 只腳，其中 8 只用于平行輸出信號(hào)，理論上能實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速度，但盧志遠(yuǎn)和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，如果從系統(tǒng)層面來(lái)看，多通道設(shè)計(jì)存在明顯弊端，系統(tǒng)布線時(shí)需對(duì)應(yīng)拉出 16 條線，這不僅會(huì)增加布線成本，還提升了系統(tǒng)復(fù)雜度。因此，基于對(duì)系統(tǒng)實(shí)際需求的分析，他們決定將輸出通道從 8 個(gè)縮減為 1 個(gè)，看似降低了單個(gè)器件的理論傳輸速度，卻能帶來(lái)顯著的系統(tǒng)級(jí)收益，系統(tǒng)僅需拉出 8 條線，大幅降低了布線成本和難度。
　　
　　實(shí)際上，除了前面提到的通過(guò)片上自修復(fù)功能實(shí)現(xiàn)高可靠性存儲(chǔ)，盧志遠(yuǎn)開(kāi)發(fā)的新一代非易失性存儲(chǔ)器（NVM，non-volatile memory）技術(shù)，還包括高密度每單元 4 比特 NVM 存儲(chǔ)、微縮至深度納米的 BE-SONOS 器件、三維單柵垂直溝道結(jié)構(gòu) NVM，以及先進(jìn)的三維 NOR 閃存技術(shù)?；谏鲜霭l(fā)明，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了新一代 NVM 存儲(chǔ)產(chǎn)品，為非易失性存儲(chǔ)技術(shù)的未來(lái)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，進(jìn)一步推動(dòng)了人工智能、移動(dòng)通信、云計(jì)算及邊緣計(jì)算等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。他也憑此獲得 2025 未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)“數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)獎(jiǎng)”。
 
　　
　　興趣引領(lǐng)研究道路，數(shù)十年如一日在半導(dǎo)體領(lǐng)域深耕
　　
　　1950 年，盧志遠(yuǎn)出生于廣州市，其父盧善棟為中國(guó)臺(tái)灣礦業(yè)工程界泰斗，其母名喚唐又貞。值得一提的是，其胞弟盧超群也從事半導(dǎo)體行業(yè)，現(xiàn)任鈺創(chuàng)科技董事長(zhǎng)。
　　
　　1972 年，盧志遠(yuǎn)本科畢業(yè)于國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)物理系，后又在美國(guó)哥倫比亞大學(xué)先后獲得物理學(xué)碩士和博士學(xué)位。
　　
　　令人好奇的是，在 NVM 技術(shù)領(lǐng)域做出開(kāi)創(chuàng)性工作的他，是如何走上半導(dǎo)體研究道路的？又為何決定在半導(dǎo)體、集成電路以及應(yīng)用物理領(lǐng)域深耕？
　　
　　據(jù)盧志遠(yuǎn)透露，他在 20 世紀(jì) 70 年代學(xué)習(xí)物理學(xué)期間，就對(duì)半導(dǎo)體材料介于導(dǎo)體與非導(dǎo)體間的獨(dú)特導(dǎo)電性，產(chǎn)生了強(qiáng)烈興趣。在對(duì)該材料有了進(jìn)一步了解后，他自然而然地想通過(guò)利用它，來(lái)推動(dòng)社會(huì)和技術(shù)進(jìn)步。他認(rèn)為，科學(xué)啟發(fā)技術(shù)、技術(shù)反哺科學(xué)。研究半導(dǎo)體，恰好體現(xiàn)了科學(xué)與技術(shù)之間的互動(dòng)循環(huán)，這使他樂(lè)在其中。
　　
　　并且，半導(dǎo)體從 1965 年開(kāi)始向集成電路發(fā)展，而他則在 1970 年代讀完大學(xué)和研究生。這一與半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展同步的學(xué)習(xí)過(guò)程，減少了他積累該領(lǐng)域基礎(chǔ)知識(shí)的負(fù)擔(dān)，讓他得以非常順暢地跟進(jìn)前沿，并為后來(lái)在該領(lǐng)域的深耕打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
　　
　　1977 年博士畢業(yè)后，他先任教于國(guó)立交通大學(xué)，1984 年受聘至美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)研究計(jì)劃。在該實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)歷給他的研究思路帶來(lái)深刻影響，讓他既重視基礎(chǔ)科學(xué)的“know why（原理探究）”，也注重技術(shù)落地的“know how（實(shí)踐方法）”。
　　
　　1980 年代末，集成電路領(lǐng)域面臨“one micron barrier（一微米障礙）”，學(xué)界和業(yè)界普遍認(rèn)為芯片尺寸無(wú)法突破一微米。基于此，1989 年，盧志遠(yuǎn)受邀回到臺(tái)灣，在工業(yè)技術(shù)研究院主持經(jīng)濟(jì)部次微米計(jì)劃，完成了臺(tái)灣動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器技術(shù)的獨(dú)立研發(fā)和量產(chǎn)，讓該地區(qū)具備 8 寸晶圓產(chǎn)制能力。而此次突破，也為后續(xù)芯片向納米級(jí)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
　　
　　1994 年，基于次微米計(jì)劃，集成電路公司世界先進(jìn)創(chuàng)立，盧志遠(yuǎn)為該公司共同創(chuàng)始人并擔(dān)任副總經(jīng)理，后于 1998 年升任為總經(jīng)理，成為臺(tái)灣動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)的重要推手。
　　
　　1999 年，他加入旺宏電子，專注提升該公司創(chuàng)新非揮發(fā)性記憶體的研發(fā)技術(shù)與制造能力。2003 年，他升任資深副總經(jīng)理；2007 年升任總經(jīng)理。二十余年來(lái)，他帶領(lǐng)旺宏電子在前沿記憶體技術(shù)研發(fā)方面不斷取得突破成果，推動(dòng)該公司成為全球排名前列的記憶體大廠。
　　
　　任職旺宏電子的同年，他創(chuàng)立了晶圓測(cè)試公司欣銓科技。
　　
　　另外，值得關(guān)注的是，盧志遠(yuǎn)還在科技期刊及國(guó)際會(huì)議上發(fā)表了超過(guò) 600 篇技術(shù)論文，并擁有 160 多項(xiàng)國(guó)際專利。
　　
　　談及未來(lái)十到二十年半導(dǎo)體領(lǐng)域的核心突破方向，盧志遠(yuǎn)指出，將體現(xiàn)在利用存算一體技術(shù)重構(gòu)計(jì)算架構(gòu)，以及通過(guò) 3D 堆疊技術(shù)突破納米制造極限等方面。前者通過(guò)讓存儲(chǔ)器直接參與邏輯運(yùn)算，來(lái)減少數(shù)據(jù)搬運(yùn)、大幅降低能耗，讓運(yùn)算延遲從此前的跨芯片傳輸縮短至單元內(nèi)處理。對(duì)于后者，針對(duì)光刻機(jī)在 1 納米以下的工藝瓶頸，他提出用縱向堆疊替代平面微縮的技術(shù)路徑，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體密度增長(zhǎng)延續(xù) 20 年以上。
　　
　　另外，關(guān)于未來(lái)中國(guó)在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)落地上的發(fā)展，他也持積極態(tài)度。
　　
　　“二十余年來(lái)，中國(guó)在科研教育領(lǐng)域投入巨資，培育了大量人才。這些人才正處于三四十歲的科研高產(chǎn)期，國(guó)家也為他們提供了廣闊發(fā)展空間，所以我覺(jué)得前途光明，競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)勁。”他如是說(shuō)。