Сегодняшние компьютеры сдерживаются относительно медленной передачей электронных данных между процессором и памятью. «Нет смысла использовать более быстрые процессоры, если ограничивающим фактором является перемещение информации в память и обратно — так называемое узкое место фон Неймана», — объясняет профессор Хариш Бхаскаран, руководивший исследованием. ‘Но мы думаем, что использование света может значительно ускорить это.’
Однако простое преодоление разрыва между процессором и памятью фотонами неэффективно из-за необходимости конвертировать их обратно в электронные сигналы на каждом конце. Вместо этого память и возможности обработки также должны быть основаны на свете.
Исследователи пытались создать такой вид фотонной памяти и раньше, но результаты всегда были непостоянными, и для хранения данных требовалось питание. Для многих приложений, таких как компьютерные дисководы, важно иметь возможность хранить данные неограниченное время, с питанием или без него.
Теперь международная группа исследователей, включая исследователей из отдела материаловедения Оксфордского университета, создала первый в мире полностью фотонный энергонезависимый чип памяти.
Новое устройство использует материал с фазовым переходом Ge2Sb2Te5 (GST) — тот же, что используется в перезаписываемых компакт-дисках и DVD-дисках — для хранения данных. Этот материал можно заставить принять аморфное состояние, например стекло, или кристаллическое состояние, например металл, с помощью электрических или оптических импульсов.
В статье, опубликованной в Nature Photonics, исследователи описывают созданное ими устройство, в котором для переноса света используется небольшой участок GST поверх гребня из нитрида кремния, известного как волновод.
Команда показала, что интенсивные импульсы света, посылаемые через волновод, могут аккуратно изменить состояние GST. Интенсивный импульс заставляет его на мгновение плавиться и быстро остывать, заставляя его принимать аморфную структуру; чуть менее интенсивный импульс может привести его в кристаллическое состояние.
Позже, когда свет с гораздо меньшей интенсивностью проходит через волновод, разница в состоянии GST влияет на то, сколько света передается.
Команда может измерить эту разницу, чтобы определить его состояние — и, в свою очередь, считать наличие информации в устройстве как 1 или 0. «Это первое в истории действительно энергонезависимое интегрированное оптическое запоминающее устройство», — объясняет ученый Кларендон и студент DPhil Карлос Риос, один из двух ведущих авторов статьи. «И мы достигли этого, используя проверенные материалы, которые известны своим долгосрочным хранением данных — GST остается в том состоянии, в котором он находится в течение десятилетий.’
Посылая световые волны разных длин через волновод одновременно — метод, называемый мультиплексированием по длинам волн — команда также показала, что они могут использовать один импульс для одновременной записи и чтения в память. «Теоретически это означает, что мы можем читать и записывать тысячи битов одновременно, обеспечивая практически неограниченную пропускную способность», — объясняет профессор Вольфрам Пернис из Университета Мюнстера.
Исследователи также обнаружили, что разная интенсивность сильных импульсов может точно и многократно создавать различные смеси аморфной и кристаллической структуры в GST.
Когда через волновод посылались импульсы меньшей интенсивности для считывания содержимого устройства, они также могли обнаруживать тонкие различия в проходящем свете, что позволяло им надежно записывать и считывать восемь различных уровней состава состояния — от полностью кристаллического до полностью аморфный. Эта возможность с несколькими состояниями может предоставить блокам памяти больше, чем обычная двоичная информация 0 и 1, позволяя отдельным битам памяти хранить несколько состояний или даже выполнять вычисления самостоятельно, а не на процессоре.
«Это совершенно новый вид функциональности с использованием уже проверенных материалов», — поясняет профессор Бхаскаран.
Эти оптические биты могут быть записаны с частотами до одного гигагерца и могут обеспечить огромную полосу пропускания. Это тот вид сверхбыстрого хранилища данных, в котором нуждаются современные вычисления.’
Сейчас команда работает над рядом проектов, направленных на использование новой технологии. Они особенно заинтересованы в разработке нового типа электрооптических межсоединений, которые позволят микросхемам памяти напрямую взаимодействовать с другими компонентами, используя свет, а не электрические сигналы.