Ein neue Licht-basierte Speicher-Chip könnte die Grundlagen des Rechnens ändern.


Elektronen sind schnell, aber sie sind nicht schnell genug — in der Tat sind sie die Geschwindigkeit der modernen EDV zurückhalten. Jetzt, ein Team entwickelte die weltweit erste jemals lichtbasierten Speicherchip, die Daten dauerhaft speichern kann, und es könnte helfen, eine neue Ära der Datenverarbeitung

Sie vielleicht bemerkt haben, dass die Taktraten der Chips noch nicht wirklich im Jahre erhöht. Stattdessen sind unsere Computer nun ausgestattet mit multi-Core-Prozessoren, landwirtschaftliche Aufgaben, abgeschlossene auf separate Chips statt Knirschen mehr an einem Ort sein. Der Grund dafür ist seltsam, die Tatsache, die die Übertragung von Daten zwischen Speicher und Chip mit höheren Taktraten nicht mithalten kann. Die Geschwindigkeit, mit der Elektronen sandten, die Verbindungen zwischen Speicher und Prozessor sind langsamer als die Geschwindigkeiten bei der schneller Silizium kann durch die Informationen chomp — ein Problem bekannt als Von-Neumann-Flaschenhals.

Swapping Elektronen für Licht

Es gibt eine Alternative, jedoch einhergehende auslagern Elektronen für die Photonen des Lichts. Wenn die elektrischen Verbindungen könnte ersetzt werden, mit etwas optische, Informationen zwischen Speicher und Prozessor mit der Geschwindigkeit des Lichts gesendet werden konnten. Dann gäbe es keine Probleme bei Übertragung halten mit der Geschwindigkeit der Berechnung. Es ist keine neue Idee, noch für diese Angelegenheit eine besonders isoliert: einfaches Auswechseln der Interconnect mit etwas Licht basierende bleibt es die Aufgabe des Umschaltens zwischen den Elektronen und Photonen an den Enden, zur Interaktion mit dem Prozessor und Speicher. In der Tat ist so ineffizient, dass es die Errungenschaften gehen dazwischen optische zerstört.

Stattdessen ist was erforderlich ist, eine Computerarchitektur, die auf Photonen mit Speicher und Prozessor mit Licht statt Strom allein ausgeführt werden kann. Und das ist, was Forscher versucht haben, zu tun. Jetzt ein internationales Team von Forschern endlich geknackt hat zumindest einen Teil des Problems: sie haben geschaffen, der weltweit ersten lichtbasierten Speicherchip, die Daten auf unbestimmte Zeit gespeichert werden kann.

Wissenschaftler haben versucht, diese Art von photonischen Speicher vor zu schaffen, aber es ist immer erforderlich macht, Daten zu speichern. Wenn das Gerät ausgeschaltet wurde, war die Daten verloren. Das funktioniert gut, einige Zeit, aber schnell interner Speicher, wie Ihre SSD muss, Informationen auch ohne Strom halten zu können.

Die neue Art des Gedächtnisses, entwickelt von Forschern der Universitäten von Oxford und Exeter in Großbritannien und der Universität Münster und KIT in Deutschland nutzt eine Phase Change Material als Grundlage für seine Lagerung. Es verwendet eine Legierung aus Germanium-Antimon-Tellur bekannt als GST-das gleiche Material, das in Wiederbeschreibbare CDs und DVDs verwendet hat.

Über die Substanz nützlich ist, dass es einen amorphen Zustand, wie Glas oder einem kristallinen Zustand, wie ein Metall mit elektrischen oder optischen Impulsen zu übernehmen gezwungen werden kann. "Diese beiden Staaten sehr unterschiedliche physikalische und Eigenschaften haben", erklärt Harish Bhaskaran, von der University of Oxford Departement Materialwissenschaft. "Und das bedeutet, dass Sie Informationen in den Zustand des Materials speichern können."

Einen kleinen optischen chip

In einem Papier veröffentlicht heute in Nature Photonics, er und der Rest des Teams erklären, wie sie es geschafft haben, ein Gerät, das Bild unten, in denen bauen ein kleines Stück der GST (erscheint gelb), 1-Mikron-Platz, sitzt auf einem Silizium-Nitrid Grat, bekannt als einen Wellenleiter (erscheint rosa). Denken Sie an die Wellenleiter als eine Art Miniatur-LWL-Kabel, das Licht tragen kann: Impulse eines Lasers, der Guide, wo sie interagieren mit der GST und dann bis zum anderen Ende gesendet werden können.

Ein Rasterelektronenmikroskop Bild des Geräts. Die GST Phase Change Material, gelb, sitzt auf der Silizium-Nitrid Wellenleiter, rot hervorgehoben.

Wenn das Team intensive Lichtimpulse hinunter den Hohlleiter ausgelöst wird, können sie den Status von der GST ändern. Ein sehr intensiver Puls lässt sich momentan schmelzen und schnell abkühlen der GST, wodurch es eine amorphe Struktur (glasartigen) zu übernehmen. Indem man einen etwas niedrigeren Intensität Puls unten den Hohlleiter, Erhöhung das Team der Temperatur über den Kristallisationspunkt aber unterhalb des Schmelzpunktes, die es in einem kristallinen Zustand versetzt.

Aber hier der Clou kommt: Wenn ein Licht mit einer viel geringeren Stärke erfolgt durch den Wellenleiter, ein wenig von Licht sickert in die GST. Je nachdem, welchen Status die GST passiert anzunehmen wird etwas mehr oder etwas weniger Licht von einem Ende des Wellenleiters zum anderen übertragen. Das Team kann die Unterschiede mit einer unglaublichen Genauigkeit messen, was ermöglicht es ihnen zu sagen, ob der GST kristalline oder amorphe ist. Mit starken Impulsen schreiben und lesen mit schwachen Impulsen, können die Forscher einfach replizieren, die 1 s oder 0 s finden Sie im normalen Speicher.

Und im Gegensatz zu früheren optischer Speicher, das neue Gerät hält, was zu es, macht und keiner geschrieben ist. "Dieses Material seit 50 Jahren erforscht wird", erklärt Bhaskaran. "Es ist erwiesen. "Wir wissen, dass es seit Jahrzehnten im gleichen Zustand bleiben kann."

Eine schematische Darstellung des neuen Speichermedium nicht berührt, zeigt seine Struktur und die Ausbreitung von Licht durch ihn.

Das Team hat auch gezeigt, dass durch die verschiedene Wellenlängen des Lichts durch den Hohlleiter zur gleichen Zeit senden – eine Technik als Wellenlänge multiplexing bezeichnet — ein Einzelimpuls können sie gleichzeitig in den Speicher lesen und schreiben. "Die zwei Wellenlängen nicht miteinander interagieren", erklärt Carlos Ríos, einer der beiden Hauptautoren des Papiers. "So die beiden Vorgänge miteinander überhaupt nicht stören."

Das klingt nicht beeindruckend, bis Sie daran denken, die Licht von Hunderten von unterschiedlichen Wellenlängen in einem einzigen Impuls gesendet werden konnten. In der Theorie bedeutet, dass das Team konnte lesen und schreiben zu Tausenden von Bits zur gleichen Zeit, im Wesentlichen bieten nahezu unbegrenzte Bandbreite.

Viele Staaten machen leichte Arbeit

Das Gerät hat einen anderen Trick auf Lager, auch. Das Team hat festgestellt, dass verschiedene Intensitäten der starke Impulse zu verschiedenen Mischungen von amorphen und kristallinen Struktur innerhalb der GST tatsächlich genutzt werden – wodurch es 10 amorphen und 90 Prozent kristalline sagen, oder 50 / 50. Wenn die niedrigere Intensität Impulse dann hinunter den Hohlleiter gesendet werden, den Inhalt des Geräts zu lesen, diese subtilen Unterschiede in der Zusammensetzung können in gesehen werden das transmittierte Licht auch erlauben die Forscher zuverlässig aus acht verschiedenen Ebenen des Staates Zusammensetzung lesen und Schreiben – von ganz kristallin, völlig amorph.

Diese staatsübergreifenden Fähigkeit könnte eine ganz eigene Welt der Informatik eröffnen. Statt der üblichen 0 oder 1 sind die Forscher in der Theorie vertreten eine 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, Vervierfachung der Datenmenge, die in ein einzelnes Bit gespeichert werden können. Und die Forscher haben Ideen, die die zusätzlichen Kapazitäten noch besser nutzen könnten — durch rechnerische Operationen im Speicher statt auf den Prozessor.

"Jeder ist zu denken, die gesamte Verarbeitung muss ein Prozess von Neuman closeted", erklärt Bhaskaran, unter Bezugnahme auf die Art und Weise die Berechnungen in der Regel durch den Prozessor durchgeführt werden, während Daten hin und her in den Speicher übergeben werden. Aber durch die Verwendung von Speicher, die mehr als zwei Zustände darstellen kann, können einige dieser Staaten verwendet werden, um Berechnungen selbst, anstatt einfach Datenspeicherung zu jonglieren. Es ist ein Feld der Forschung in einem relativ frühen Stadium, aber diese Art von Speicher könnte schließlich Teil des Prozessors arbeiten dafür zu tun.

Es ist natürlich, manche arbeiten um noch zu tun ist. Vor allem das Gerät muss ein wenig schrumpfen: ein einzelnes Bit besetzen ein Quadrat Mikrometer kleine klingen mag, aber es ist gigantisch durch Silizium-Chips-Standards. Das Team sagt noch, sie habe bereits in der Lage, seine Größe zu verringern, und ist nicht allzu besorgt über schrumpft es viel weiter nach unten.

Lästiger, vielleicht ist der Rest der Architektur erforderlich, um rein optische Realität computing. "Kritiker könnte sagen"das ist Unsinn, es nützt nichts, mit optischer Speicher ohne eine optische Interconnect"," sinniert Bhaskaran. "Aber, sagen wir, du musst ein Problem gleichzeitig zu lösen." Er ist direkt in beiderlei Hinsicht. Was wohl erklärt, warum das nächste, was auf die Forschungsgruppe Liste sind die Opto-elektrische Verbindungen, die die Erinnerung an einen Prozessor verknüpfen müssen. Hoffentlich können sie leichte Arbeiten davon machen.

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