Forscher haben einen neuen Typ eines optischen Speichers namens programmierbarer photonischer Latch entwickelt, der schnell und skalierbar ist. Diese grundlegende Speichereinheit ermöglicht die temporäre Datenspeicherung in optischen Verarbeitungssystemen und bietet eine Hochgeschwindigkeitslösung für flüchtige Speicher mithilfe von Siliziumphotonik.
Der neue integrierte photonische Latch ist einem Set-Reset-Latch nachempfunden, einem grundlegenden Speichergerät, das in elektronischen Geräten verwendet wird, um ein einzelnes Bit zu speichern, indem es basierend auf Eingaben zwischen den Zuständen Set (1) und Reset (0) wechselt.
„Während optische Kommunikation und Computer in den letzten Jahrzehnten erhebliche Fortschritte gemacht haben, wurde die Datenspeicherung überwiegend mithilfe elektronischer Speicher implementiert“, sagte der Autor der Studie, Farshid Ashtiani von Nokia Bell Labs. „Ein schneller optischer Speicher, der mit optischen Verarbeitungssystemen sowie anderen optischen Systemen für die Kommunikation oder Sensorik verwendet werden kann, würde sie hinsichtlich Energie und Durchsatz effizienter machen.“
In der Zeitschrift der Optica Publishing Group Optik-ExpressDie Forscher beschreiben ein Proof-of-Concept-Experiment, bei dem sie den photonischen Latch mithilfe einer programmierbaren photonischen Siliziumplattform demonstrierten. Merkmale wie optisches Set und Reset, komplementäre Ausgänge, Skalierbarkeit und Kompatibilität mit Wellenlängenmultiplex (WDM) machen diesen Ansatz vielversprechend für schnellere und effizientere optische Verarbeitungssysteme.
„Große Sprachmodelle wie ChatGPT stützen sich auf riesige Mengen einfacher mathematischer Operationen wie Multiplikation und Addition, die iterativ ausgeführt werden, um zu lernen und Antworten zu generieren“, sagte Ashtiani. „Unsere Speichertechnologie könnte Daten für solche Systeme mit hoher Geschwindigkeit speichern und abrufen und so viel schnellere Vorgänge ermöglichen. Während ein kommerzieller optischer Computer noch in weiter Ferne liegt, ist unsere optische Hochgeschwindigkeitsspeichertechnologie ein Schritt in diese Zukunft.“
Weiterentwicklung des integrierten optischen Speichers
Optische Technologien haben maßgeblich zur Weiterentwicklung von Kommunikationssystemen beigetragen, von der Datenübertragung über große Entfernungen und der Konnektivität von Rechenzentren bis hin zu neuen Technologien wie optischen Verbindungen und Computern. Aufgrund seiner Skalierbarkeit, Kompaktheit und Kosteneffizienz bleibt die Datenspeicherung jedoch überwiegend elektronisch. Dies stellt optische Verarbeitungssysteme vor Herausforderungen, da die Übertragung optischer Daten in den elektronischen Speicher – und zurück – den Energieverbrauch erhöht und Latenz verursacht.
Obwohl im Bereich des optischen Speichers umfangreiche Forschung betrieben wurde, basieren die meisten Implementierungen auf sperrigen, kostspieligen und energieintensiven Aufbauten oder speziellen Materialien, die in kommerziell erhältlichen photonischen Siliziumprozessen normalerweise nicht angeboten werden, was zu höheren Kosten und geringeren Erträgen führt.
Um diese Herausforderungen zu meistern, entwickelten die Forscher einen integrierten programmierbaren photonischen Latch auf Basis optischer universeller Logikgatter unter Verwendung von photonischen Mikroringmodulatoren aus Silizium. Diese Geräte können in kommerziell erhältlichen Herstellungsprozessen für photonische Siliziumchips implementiert werden. Sie kombinierten zwei optische universelle Logikgatter, um einen optischen Latch zu schaffen, der optische Daten speichern kann.
Skalierbaren und schnellen Speicher schaffen
Ashtiani sagt, dass ein wesentlicher Vorteil des neuen Systems seine Skalierbarkeit ist. „Da jede Speichereinheit über eine unabhängige Eingangslichtquelle verfügt, ist es möglich, dass mehrere Speichereinheiten unabhängig voneinander arbeiten, ohne sich gegenseitig durch die Ausbreitung optischer Leistungsverluste zu beeinflussen“, sagte er. „Die Speichereinheiten können auch mit den bestehenden Silizium-Photonensystemen gemeinsam entworfen und zuverlässig und mit sehr hoher Ausbeute gebaut werden.“
Ein weiterer Vorteil ist die Wellenlängenselektivität der photonischen Speichereinheit, die eine nahtlose Zusammenarbeit mit WDM ermöglicht. Dies liegt daran, dass die Mikroringmodulatoren des Geräts für den Betrieb bei bestimmten Wellenlängen ausgelegt sind und so eine Mehrbit-Datenspeicherung in einer einzigen Speichereinheit ermöglichen. Darüber hinaus ermöglicht es eine schnelle Speicherreaktionszeit, gemessen im Bereich von mehreren zehn Pikosekunden, übertrifft die Taktraten fortschrittlicher digitaler Systeme und unterstützt die optische Hochgeschwindigkeits-Datenspeicherung.
Um diesen Ansatz für optische Speicher vor der Herstellung dedizierter Chips zu demonstrieren, verwendeten die Forscher eine programmierbare photonische Plattform, um die universellen Logikgatter und den optischen Latch durch Experimente und realistische Simulationen zu implementieren.
Die Forscher testeten die Tore unter verschiedenen Eingabeszenarien. Selbst bei zufälligen Variationen erzeugten die Gatter zuverlässig die gewünschten Ausgänge. Ebenso führte der Latch alle Funktionen – Setzen, Zurücksetzen, Halten – auch bei Schwankungen der Eingangsleistung präzise aus.
Als nächstes möchten die Forscher mehrere Forschungsrichtungen verfolgen, um die neuen Speichereinheiten praktischer zu machen. Dazu gehört die Skalierung der Technologie auf eine größere Anzahl von Speichereinheiten und die Herstellung dedizierter photonischer Speicherchips. In Kombination mit der WDM-Kompatibilität würde dies eine höhere photonische Speicherdichte auf dem Chip ermöglichen. Sie möchten außerdem eine Möglichkeit entwickeln, mit einem einzigen Herstellungsprozess sowohl den photonischen Speicherschaltkreis als auch die zu seiner Steuerung erforderliche Elektronik zu integrieren.
