Создан первый оптический чип энергонезависимой памяти с устойчивыми рабочими характеристиками
Привет, дорогие читатели iCover! Сегодня мы хотим поговорить о первом полностью оптическом чипе энергонезависимой памяти — совместной разработке ученых из Технологического института Карлсруэ, университетов Мюнстера, Оксфорда и Эксетера.
Возможность использования света и оптических компонентов схем создает новое будущее для информационно-коммуникационных технологий, раскрывая принципиально новые горизонты эффективности и быстродействия вычислительных систем.
В то время как оптическое волокно – уже давно привычный способ передачи световой информации, существующие компьютерные системы на 100% задействуют возможности двоичной логики путем обработки электрических сигналов и задействования электронных схемотехнических решений. Реализация “электронного сценария” обмена данными между процессором и оперативной памятью – один из основных факторов, ограничивающих быстродействие нынешних компьютеров и узкое место в архитекторе фон Неймана.
Кардинальное решение проблемы не исчерпывается организацией оптического интерфейса между процессором и памятью, поскольку это не отменит необходимости взаимного преобразования оптических и электрических сигналов между ними. Такое решение должно быть связано с разработкой метода обработки и хранения информации, который позволил бы осуществлять все операции с данными исключительно за счет потенциала фотонно-оптических технологий.
В течение долгого времени эксперименты с фотонной памятью не позволяли достичь устойчивых результатов. И в этом смысле оптический чип с энергонезависимой фотонной памятью — совместную разработку ученых Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT) и университетов Мюнстера, Оксфорда, Эксетера можно без преувеличения назвать эпохальной. Предложенный способ записи информации позволит кардинально улучшить производительность существующей вычислительной архитектуры за счет снижения задержек, связанных с преобразованием электрического сигнала.
Практическая реализация концепции оптического чипа с энергонезависимой памятью стала возможна благодаря использованию уникального PSM-материала нового поколения Ge2Sb2Te5 (GST) — халькогенидного соединения, способного менять фазу кристаллической решетки с аморфной на кристаллическую и обратно под воздействием сверхкороткого импульсного лазерного излучения. Таким образом, оптические и ”логические” свойства PSM-кристалла (аморфное и кристаллическое состояние) определяются характером расположения атомов кристаллической решетки и могут быть заданы искусственно посредством модифицированного лазерного излучения.
Считывание информации также осуществляется лазерными импульсами но меньшей интенсивности. Поскольку для любого изменения состояния кристаллической решетки требуется лишь внешнее направленное воздействие лазерного излучения, то записанная информация сможет сохраняться без внешнего доступа энергии в течение десятилетий. И в этом отношении чип является энергонезависимым.
“Частота записи оптических битов может достигать 1 гигагерца. Это обеспечивает крайне высокое быстродействие нашей, полностью фотонной памяти”, — сообщил руководитель научной группы в KIT профессор Мюнстерского университета Уолфрэм Пернайс (Wolfram Pernice). Важно, что “… такая память уже сегодня может быть совместима со стандартной оптоволоконной системой передачи данных. А предложенные алгоритмы доступа к содержимому ячеек позволяют совместить новую память с процессорами последнего поколения…” – добавляет профессор Гариш Бхаскаран (Harish Bhaskaran). Таким образом, в одной многоуровневой ячейке в миллиардные доли метра, можно хранить и автономно обрабатывать на простейшем логическом уровне до 8 бит информации, записывая и сохраняя сразу несколько состояний.
Полностью оптическая постоянная память, интегрированная на инновационном чипе способна существенно повысить быстродействие компьютеров, заметно снизив при этом их энергопотребление. Многоуровневый чип с произвольным доступом позволит задействовать значительно большие вычислительные возможности. Для однократного считывания информации и переключения промежуточных состояний со скоростью 1 ГГц достаточно энергии в 13.4 пДж (1 пикоджоуль = 10⁻¹² Джоуля). При этом отдельные элементы памяти могут быть созданы путем использования принципа мультиплексирования длины волны. Таким образом, полностью оптический многоуровневый энергонезависимый чип, позволяющий частично избавиться от узкого места архитектуры фон Неймана становится одним из важнейших звеньев новой вычислительной архитектуры фотонно-оптических компьютеров будущего.
Конечно, использование всего потенциала, заложенного в новейшем чипе связано с перспективой выполнения больших объемов работ в самых разных направлениях. Вместе с тем, несмотря на отдаленную перспективу создания фотонных аналогов современных микропроцессоров, использование возможностей уже существующих электронных процессоров в связке с чипом оптической памяти – это качественно новый уровень обработки информации. А для практической реализации такой схемы будет достаточно создать оптоволоконный интерфейс, в котором энергоемкий процесс преобразования электрических сигналов в оптические и наоборот будет осуществляться только на стороне процессора.
Подробнее с результатами исследований и историей создания революционного чипа можно ознакомиться на страницах журнала Nature Photonics.
Уважаемые читатели, мы всегда с удовольствием встречаем и ждем вас на страницах блога iCover! Мы готовы и дальше радовать вас своими публикациями и постараемся сделать все возможное для того, чтобы проведенное с нами время доставило удовольствие и вам. И, конечно, не забывайте подписываться на наши рубрики и мы обещаем — скучать не придется!
Другие интересные статьи
