摘要：“如果放任数据存储能耗增长，未来几十年内，它将吞噬全球30%的电能。”当瑞典查尔莫斯理工大学的研究团队在《先进材料》期刊上抛出这个惊人预测时，他们同时带来了破局的钥匙——一种原子级薄的磁性晶体，能让存储芯片能效直接提升10倍。这场被业内称为“绿色计算里程碑”的
“如果放任数据存储能耗增长，未来几十年内，它将吞噬全球30%的电能。”当瑞典查尔莫斯理工大学的研究团队在《先进材料》期刊上抛出这个惊人预测时，他们同时带来了破局的钥匙——一种原子级薄的磁性晶体，能让存储芯片能效直接提升10倍。这场被业内称为“绿色计算里程碑”的突破，不仅解决了现代计算的核心能耗瓶颈，更意外揭开了全球在磁性存储领域的“暗战”——而中国团队，早已在同一赛道上跑出了自己的加速度。
一、两种“矛盾”磁性的融合，藏着10倍节能的密码
“我们做的最关键一步，是让铁磁性和反铁磁性这对‘冤家’在同一晶体里和平共处。”研究负责人、查尔莫斯理工大学Saroj P. Dash教授在接受《自然》子刊采访时，用通俗的比喻解释了这项突破的核心。
熟悉磁性材料的人都知道，铁磁性和反铁磁性几乎是“水火不容”的存在：铁磁性让电子朝着同一方向排列，像整齐列队的士兵，能产生可被检测的强磁场，这是传统硬盘、MRAM（磁性随机存取存储器）的核心原理；反铁磁性则让相邻电子反向排列，磁场相互抵消，如同两队反向行进的队伍，最终“隐形”不见。
但Dash团队研发的钴-铁-锗-碲合金晶体，却通过原子级别的结构设计，让这两种相反的磁性行为形成了一种微妙的“倾斜排列”——电子没有完全同向，也没有彻底反向，而是呈一定角度“斜着站”。这种独特的状态，让电子方向的翻转不再需要外部“推一把”：传统MRAM切换状态时，得靠庞大的外部磁场或电流“强行扭转”电子方向，就像用蛮力推转沉重的齿轮，功耗极高；而新晶体里的电子，凭借内部磁性的“倾斜力”就能快速翻转，相当于给齿轮装了“省力轴承”，能耗直接砍掉90%。
更巧妙的是晶体的结构设计。它通过范德华力（一种温和的原子间吸引力，而非强硬的化学键）形成层状结构，厚度仅为原子级别，却异常坚固。“传统多层磁性薄膜堆垛时，层与层之间容易出现界面缺陷，就像贴瓷砖时缝隙没处理好，用久了会脱落。”团队核心成员Bing Zhao博士解释，这种单晶体设计从根本上避免了界面故障，既简化了制造流程，又提升了稳定性——相当于用一整块无缝瓷砖替代了多块拼接的瓷砖，耐用性和效率都上了一个台阶。
对于普通用户来说，这种技术带来的改变是肉眼可见的：手机可能从“一天一充”变成“三天一充”，笔记本电脑运行时不再因散热风扇狂转而噪音扰民；而对于数据中心和AI领域，影响更是颠覆性的——目前全球数据中心的能耗中，存储器占比高达40%，谷歌、亚马逊的大型数据中心甚至需要自建发电站来支撑存储设备，如果换成这种新晶体，一座超大型数据中心一年能省下相当于一座中型水电站的发电量。
二、中国团队的“平行突破”：从实验室到产业化的追赶
就在瑞典团队的论文发表前三个月，中国科学院物理研究所的赵忠贤院士团队，在《物理评论快报》上发表了一篇关于反铁磁存储的论文，内容让国际同行眼前一亮——他们研发的锰基反铁磁薄膜，虽然没有融合铁磁性，却通过“磁矩倾斜调控”技术，实现了比传统MRAM低5倍的能耗，且读写速度提升了3倍。
“我们没有走‘融合磁性’的路线，而是聚焦反铁磁性本身的潜力。”中科院物理所研究员、论文第一作者李航在接受采访时表示，反铁磁性材料的“隐形磁场”其实是个优势——它不受外部磁场干扰，存储数据更稳定，而且电子翻转时不需要对抗强磁场，天生适合低功耗场景。他们的突破在于找到了一种“脉冲电流调控”方法，用极短的电流脉冲就能让反铁磁材料的磁矩倾斜，进而实现数据的写入和读取，“相当于用精准的‘小锤’轻敲，而不是用大锤猛砸，既省力又高效”。
不止中科院，国内企业也在加速布局。华为海思在2025年上半年公布的专利中，出现了“基于范德华力的二维磁性存储器件”相关技术，描述与瑞典团队的晶体结构有异曲同工之妙；而长江存储则在今年的国际固态电路会议（ISSCC）上，展示了一款结合反铁磁层的3D NAND闪存原型，能耗较现有产品降低30%，计划2027年进入量产阶段。
“全球在低功耗磁性存储领域，其实是‘多路并进’的状态。”清华大学微电子学研究所王教授分析，瑞典团队的优势在于“单晶体融合双磁性”，结构更简洁；中国团队则在反铁磁调控、产业落地节奏上更具特色，“比如中科院的技术更贴近现有MRAM的制造设备，不需要彻底改造生产线，这对企业来说吸引力很大”。
这种“多路并行”的竞争，本质上是对下一代存储技术话语权的争夺。随着AI大模型、物联网设备的爆发，数据量正以每两年翻一番的速度增长，传统存储的能耗和速度瓶颈越来越明显——就像高速公路上的车越来越多，却还是双向两车道，早晚要堵死。谁能先突破低功耗、高速度的存储技术，谁就能在未来的计算产业中占据核心位置。
三、从实验室到口袋：还有三道“现实关卡”
不过，无论是瑞典的“双磁性晶体”还是中国的“反铁磁调控”，要真正走进我们的手机、电脑，还有几道难关要过。
第一道关是“规模制造”。原子级薄的晶体虽然性能优异，但要实现大面积、无缺陷的生长，难度极大。“就像在玻璃上贴保鲜膜，小面积贴很容易，一旦要贴满整个足球场那么大，还不能有气泡和褶皱，技术挑战可想而知。”Dash教授坦言，目前他们的实验室样品尺寸还停留在“毫米级”，要扩大到工业应用的“英寸级”晶圆，至少还需要3-5年的工艺优化。
第二道关是“稳定性”。虽然新晶体在实验室环境下表现稳定，但真实世界的温度、湿度、电磁干扰远比实验室复杂。“手机可能会被放在口袋里摩擦，也可能被太阳晒到40摄氏度以上，存储器能不能扛住这些‘折腾’，还需要长期测试。”李航补充道，他们正在与国内手机厂商合作，进行为期一年的可靠性试验，重点测试高温、振动、电磁辐射下的性能变化。
第三道关是“成本控制”。钴、碲等元素并非稀有金属，但要提纯到原子级纯度，再制成单晶体，目前的成本还是传统硅基存储的10倍以上。“就像刚开始的液晶屏幕，一台要卖几万块，后来规模化生产后才降到几千块。”长江存储研发总监在接受采访时表示，成本下降的关键在于量产规模和工艺成熟度，“一旦年产能突破100万片，成本至少能降到现有水平的1/3”。
即便如此，行业对这种低功耗磁性存储的期待依然高涨。国际数据公司（IDC）预测，到2030年，全球低功耗存储市场规模将突破千亿美元，其中磁性存储占比会超过60%。谷歌、微软已经开始与科研团队合作，计划在未来两年内将相关技术试点应用于数据中心；苹果、华为也在智能手机存储领域布局专利，试图抢占先机。
“想象一下，未来你的手机充满电可以用一周，笔记本电脑连续工作12小时不用插电，数据中心的耗电量减少一半——这些不是科幻，而是正在实验室里变成现实的场景。”Saroj P. Dash教授在论文的结尾写下了这样一段话。而在中国，李航团队已经开始着手搭建中试生产线，他们的目标是“让中国的低功耗磁性存储技术，既能在实验室里出成果，也能在工厂里造出来，更能在老百姓的口袋里用起来”。
从瑞典的原子晶体到中国的反铁磁调控，这场围绕“存储节能”的全球竞赛，早已超越了单一技术的突破，成为各国在新一代信息技术领域的战略博弈。或许再过5年，当我们拿着续航一周的手机、使用静音运行的电脑时，会想起今天这场发生在实验室里的“暗战”——正是这些看似微小的原子级突破，悄悄改变着我们的数字生活，也重塑着全球科技竞争的格局。
来源：智能学院