Seit Jahrzehnten gibt es nahezu ständige Fortschritte bei der Verkleinerung und Steigerung der Leistung der Schaltkreise, die Computer und Smartphones antreiben. Aber Moores Gesetz endet, da physikalische Einschränkungen – wie die Anzahl der Transistoren, die auf einen Chip passen, und die Wärme, die durch die immer dichtere Packung dieser Transistoren entsteht – die Geschwindigkeit der Leistungssteigerung verlangsamen. Die Rechenkapazität stagniert allmählich, obwohl künstliche Intelligenz, maschinelles Lernen und andere datenintensive Anwendungen immer mehr Rechenleistung erfordern.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, sind neuartige Technologien erforderlich. Eine mögliche Lösung bietet die Photonik, die im Vergleich zur Elektronik einen geringeren Energieverbrauch und eine kürzere Latenzzeit bietet.
Einer der vielversprechendsten Ansätze ist das In-Memory-Computing, das den Einsatz photonischer Speicher erfordert. Durch die Weiterleitung von Lichtsignalen durch diese Speicher ist es möglich, Vorgänge nahezu augenblicklich auszuführen. Doch die für die Erstellung solcher Speicher vorgeschlagenen Lösungen standen vor Herausforderungen wie niedrigen Schaltgeschwindigkeiten und eingeschränkter Programmierbarkeit.
Jetzt hat ein internationales Forscherteam eine bahnbrechende photonische Plattform entwickelt, um diese Einschränkungen zu überwinden. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphotonik.
In Zusammenarbeit mit John Bowers, Professor für Elektro- und Computertechnik (ECE) an der UC Santa Barbara, und Galan Moody, außerordentlicher Professor an der ECE, koordinierte der Projektwissenschaftler Paolo Pintus, Assistenzprofessor an der Universität Cagliari, das Projekt mit Nathan Youngblood, Institute of Science der University of Pittsburgh Der Tokioter Professor Yuya Shoji und Mario Dumont, der seinen Ph.D. erhielt. im Bowers-Labor.
Die Forscher verwendeten ein magnetooptisches Material, Cer-substituiertes Yttrium-Eisen-Granat (YIG), dessen optische Eigenschaften sich als Reaktion auf externe Magnetfelder dynamisch ändern. Durch den Einsatz winziger Magnete zur Speicherung von Daten und zur Steuerung der Lichtausbreitung im Material leisteten sie Pionierarbeit für eine neue Klasse magnetooptischer Speicher. Die innovative Plattform nutzt Licht, um Berechnungen deutlich schneller und effizienter durchzuführen, als dies mit herkömmlicher Elektronik möglich ist.
Dieser neue Speichertyp verfügt über Schaltgeschwindigkeiten, die 100-mal schneller sind als die hochmoderner integrierter Photonik-Technologie. Sie verbrauchen etwa ein Zehntel des Stroms und können mehrfach umprogrammiert werden, um verschiedene Aufgaben auszuführen. Während moderne optische Speicher eine begrenzte Lebensdauer haben und bis zu 1.000 Mal beschrieben werden können, zeigte das Team, dass magnetooptische Speicher mehr als 2,3 Milliarden Mal neu beschrieben werden können, was einer potenziell unbegrenzten Lebensdauer entspricht.
„Diese einzigartigen magnetooptischen Materialien ermöglichen die Verwendung eines externen Magnetfelds zur Steuerung der Lichtausbreitung durch sie“, sagte Pintus. „In diesem Projekt verwenden wir elektrischen Strom, um Mikromagnete zu programmieren und Daten zu speichern. Die Magnete steuern die Lichtausbreitung innerhalb des Ce:YIG-Materials und ermöglichen uns die Durchführung komplexer Operationen, wie etwa der Matrix-Vektor-Multiplikation, die bei … der Kern eines jeden neuronalen Netzwerks.“
Die Autoren glauben, dass die Ergebnisse den Beginn einer Revolution im optischen Rechnen markieren und den Weg für praktische Anwendungen in naher Zukunft ebnen könnten.
