Новая интегрированная фотонная триггерная ячейка создана по образцу триггерной ячейки установки-сброса — базового устройства памяти, используемого в электронных устройствах для хранения одного бита путём переключения между состояниями установки (1) и сброса (0) в зависимости от входных данных.

«Несмотря на значительный прогресс в области оптических коммуникаций и вычислений за последние десятилетия, хранение данных в основном осуществляется с помощью электронной памяти, — сказал автор исследования Фаршид Аштиани из  Nokia Bell Labs. — Наличие быстрой оптической памяти, которую можно использовать с системами оптической обработки, а также с другими оптическими системами, применяемыми в коммуникациях или датчиках, сделало бы их более эффективными с точки зрения энергопотребления и пропускной способности».

В журнале Optica Publishing Group Optics Express исследователи описали экспериментальную проверку концепции, в ходе которой они продемонстрировали фотонную защёлку с использованием программируемой кремниевой фотонной платформы. Такие функции, как оптическая установка и сброс, дополнительные выходы, масштабируемость и совместимость с мультиплексированием с разделением по длине волны (WDM), делают этот подход перспективным для более быстрых и эффективных систем оптической обработки.

«Большие языковые модели, такие как ChatGPT, полагаются на огромное количество простых математических операций, таких как умножение и сложение, которые выполняются итеративно для обучения и генерации ответов, — сказал Аштиани. — Наша технология памяти может хранить и извлекать данные для таких систем на высоких скоростях, обеспечивая гораздо более быстрые операции. Хотя коммерческий оптический компьютер — это всё ещё далёкая цель, наша технология высокоскоростной оптической памяти — это шаг к этому будущему».

Усовершенствованная интегрированная оптическая память

Оптические технологии сыграли важную роль в развитии систем связи, от передачи данных на большие расстояния и подключения к центрам обработки данных до новых технологий, таких как оптические межсоединения и вычисления. Однако хранение данных по-прежнему осуществляется преимущественно в электронном виде из-за его масштабируемости, компактности и экономичности. Это создаёт проблемы для систем оптической обработки, поскольку передача оптических данных в электронную память и обратно увеличивает энергопотребление и приводит к задержкам.

Несмотря на обширные исследования в области оптической памяти, большинство реализаций основаны на громоздких, дорогостоящих и энергозатратных установках или специализированных материалах, которые обычно не используются в доступных на рынке кремниевых фотонных технологиях, что приводит к более высоким затратам и снижению производительности.

Чтобы решить эти проблемы, исследователи создали интегрированную программируемую фотонную защёлку на основе оптических универсальных логических вентилей с использованием кремниевых фотонных микрокольцевых модуляторов. Эти устройства могут быть реализованы в доступных на рынке процессах производства кремниевых фотонных микросхем. Они объединили два оптических универсальных логических вентиля, чтобы создать оптическую защёлку, которая может хранить оптические данные.

Изображение: .semiconductor-digest.com

Создание масштабируемой и быстрой памяти

Аштиани говорит, что одним из ключевых преимуществ новой системы является ее масштабируемость. “Поскольку каждый блок памяти имеет независимый входной источник света, возможно, чтобы несколько блоков памяти работали независимо, не влияя друг на друга из-за распространения оптических потерь мощности”, — сказал он. “Блоки памяти также могут быть спроектированы совместно с существующими кремниевыми фотонными системами и изготавливаться надежно и с очень высокой производительностью”.

Ещё одним преимуществом является селективность фотонного запоминающего устройства по длине волны, что позволяет ему без проблем работать с WDM. Это связано с тем, что микрокольцевые модуляторы устройства предназначены для работы на определённых длинах волн, что позволяет хранить многобитные данные в одном запоминающем устройстве. Кроме того, это обеспечивает быстрое время отклика памяти, измеряемое десятками пикосекунд, что превышает тактовую частоту передовых цифровых систем и поддерживает высокоскоростное оптическое хранение данных.

Чтобы продемонстрировать этот подход к оптической памяти до создания специализированных микросхем, исследователи использовали программируемую фотонную платформу для реализации универсальных логических элементов и оптической защелки с помощью экспериментов и реалистичного моделирования.

Исследователи протестировали логические элементы при различных входных сценариях. Даже при наличии случайных отклонений логические элементы надёжно генерировали желаемые выходные сигналы. Аналогичным образом, триггер точно выполнял все функции — установку, сброс, удержание — при наличии колебаний входного напряжения.

Далее исследователи хотели бы изучить несколько направлений, чтобы сделать новые блоки памяти более практичными. Это включает масштабирование технологии для большего количества блоков памяти и создание специализированных чипов фотонной памяти. В сочетании с совместимостью с WDM это позволит повысить плотность фотонной памяти на кристалле. Они также хотели бы разработать способ использования единого производственного процесса для интеграции схемы фотонной памяти и электроники, необходимой для её управления.