比DRAM快1000倍！日本東大團隊研發40皮秒超高速記憶體 解決能耗瓶頸

日本東京大學研究團隊近日宣布，成功開發出一種全新的非揮發性磁性開關零件，能在僅 40 皮秒 (picosecond) 內完成狀態切換，不僅速度驚人，且功耗極低、發熱量遠低於過去許多超快開關技術，被視為有望解決當前 AI 硬體面臨最大瓶頸之一：龐大的資料移動與儲存所帶來的能源消耗與散熱壓力。

《Tom"s hardware》報導，東大研究人員採用名為「錳錫 (Mn₃Sn)」的反鐵磁材料製作零件，證實透過超短電脈衝即可可靠切換其磁狀態，且在斷電後仍能保留資訊，實現低耗能的高速記憶功能。

更值得關注的是，東大團隊也展示利用電信波段的雷射與光電二極體產生的超快光電流脈衝，進行磁態切換，意味著未來可望將光訊號直接轉換為寫入記憶體的電脈衝，為光互連與矽光子技術鋪路。

在 AI 時代，隨著 GPU 叢集規模擴大到數十萬顆加速器，資料在快取、記憶體、儲存裝置與互連線路間不斷移動與刷新，耗電與散熱已成為產業最大挑戰之一。

現有記憶體技術各有缺陷：DRAM 靠電容儲存電荷，必須不斷刷新才能維持資料，即使閒置也耗費大量電力；NAND 快閃記憶體雖能長期保存資料，但切換速度慢、能耗高，不適合作為高速工作記憶體；SRAM 雖切換極快，卻佔用大量晶片面積與功耗，難以大規模擴充。

數十年來，業界夢寐以求一種結合 SRAM 速度、DRAM 密度、快閃記憶體非揮發性與低功耗的「通用記憶體」。

東大團隊選擇從自旋電子學切入，利用 Mn₃Sn 這種反鐵磁材料，其相鄰磁矩會互相抵消，具備更快切換速度、抗磁干擾能力強、縮小尺寸時不會產生明顯雜散磁場等優勢。

研究人員在矽基板上製造層狀 Mn₃Sn/Ta 結構，透過超快電脈衝將材料在兩種穩定磁組態間翻轉。

不同於許多實驗性技術依賴劇烈加熱來破壞原有狀態，「錳錫 (Mn₃Sn)」製零件的切換機制主要仰賴「自旋軌道力矩」，將角動量直接傳遞給磁性結構，無需大幅升溫。

模擬結果顯示，切換過程中溫度僅上升約 8K，遠低於過去皮秒級開關技術常見的數百 K 升溫。這項突破使零件能在 40 皮秒內完成切換，比典型奈秒級記憶體快上千倍，同時避免嚴重熱問題。

此技術若能商業化，可望大幅降低記憶體刷新能耗、減少散熱需求、降低待機功耗，甚至模糊記憶體與儲存間的界線。

對個人運算而言，未來系統可在無待機電源下保留工作記憶體內容，實現即時喚醒並減少發熱。對超大規模 AI 基礎設施而言，則有助提升能效、緩解散熱壓力。

不過，目前該零件仍處於實驗室階段，尚未成為可量產的記憶體晶片，且切換仍需外部偏置磁場，對商用硬體構成重大限制。此外，製造可擴展性、耐久性、成本競爭力與 CMOS 製程整合等挑戰仍有待克服。

即便如此，東大團隊的研究凸顯一個趨勢：未來效能提升的重點，將從單純縮小電晶體尺寸，轉向降低資訊切換、移動與儲存所需的能量。