Naukowcy zaprezentowali nową metodę przetwarzania fotonicznego w pamięci, która może znacząco ulepszyć obliczenia optyczne.
Technologia ta, wykorzystująca materiały magnetooptyczne, umożliwia uzyskanie szybkich, energooszczędnych i trwałych rozwiązań pamięci, nadających się do integracji z istniejącymi technologiami komputerowymi.
Fotoniczne przetwarzanie w pamięci
Po raz pierwszy globalny zespół inżynierów elektryków opracował nową metodę fotonicznego przetwarzania w pamięci, dzięki czemu obliczenia optyczne stają się coraz bardziej rzeczywistością.
W skład zespołu wchodzą naukowcy z University of Pittsburgh Swanson School of Engineering, University of California – Santa Barbara, University of Cagliari oraz Tokyo Institute of Technology (obecnie Institute of Science Tokyo). Wyniki ich badań opublikowano 23 października w czasopiśmie Fotonika Przyrody („Zintegrowana, niewzajemna magnetooptyka o ultrawysokiej wytrzymałości do fotonicznego przetwarzania w pamięci.”
Badania te były wspólnym wysiłkiem kierowanym przez Nathana Youngblooda, adiunkta inżynierii elektrycznej i komputerowej w Pitt, wraz z Paulo Pintusem, dawniej z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, a obecnie adiunktem na Uniwersytecie w Cagliari, oraz Yuyą Shoji, profesorem nadzwyczajnym w Instytut Nauki Tokio.
Pokonywanie ograniczeń pamięci optycznej
Do tej pory badacze mieli ograniczone możliwości opracowania pamięci fotonicznej do przetwarzania AI – uzyskując jeden ważny atrybut, taki jak prędkość, poświęcając inny, np. zużycie energii. W artykule międzynarodowy zespół demonstruje unikalne rozwiązanie, które rozwiązuje obecne ograniczenia pamięci optycznej, która nie łączy jeszcze w jednej platformie nieulotności, wielobitowej pamięci masowej, dużej szybkości przełączania, niskiej energii przełączania i wysokiej wytrzymałości.
„Materiały, których używamy do opracowywania tych ogniw, są dostępne od dziesięcioleci. Jednak wykorzystywano je głównie w statycznych zastosowaniach optycznych, takich jak izolatory na chipie, a nie jako platforma dla wysokowydajnej pamięci fotonicznej” – wyjaśnił Youngblood. „To odkrycie jest kluczową technologią umożliwiającą szybszą, wydajniejszą i bardziej skalowalną architekturę obliczeń optycznych, którą można bezpośrednio zaprogramować za pomocą obwodów CMOS (komplementarny półprzewodnik metalowo-tlenkowy), co oznacza, że można ją zintegrować z dzisiejszą technologią komputerową.
„Dodatkowo nasza technologia wykazała się o trzy rzędy wielkości lepszą wytrzymałością niż inne podejścia nielotne, przy 2,4 miliarda cykli przełączania i prędkościach nanosekundowych”.
Przedstawiamy architekturę opartą na rezonansie
Autorzy proponują architekturę fotoniczną opartą na rezonansie, która wykorzystuje nieodwrotne przesunięcie fazowe w materiałach magnetooptycznych do wdrożenia fotonicznego przetwarzania w pamięci.
Typowym podejściem do przetwarzania fotonicznego jest pomnożenie szybko zmieniającego się optycznego wektora wejściowego przez macierz o stałych wagach optycznych. Jednak zakodowanie tych wag na chipie przy użyciu tradycyjnych metod i materiałów okazało się trudne. Dzięki zastosowaniu magnetooptycznych komórek pamięci składających się z heterogenicznie zintegrowanego granatu itrowo-żelazowego podstawionego cerem (Ce:YIG) na krzemowych rezonatorach z mikropierścieniami, komórki powodują dwukierunkowe rozchodzenie się światła, niczym sprinterzy biegający po torze w przeciwnych kierunkach.
Obliczenia poprzez kontrolowanie prędkości światła
„To tak, jakby wiatr wiał w jednego sprintera, pomagając drugiemu biec szybciej” – wyjaśnił Pintus, który kierował pracami eksperymentalnymi na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara. „Przykładając pole magnetyczne do komórek pamięci, możemy w różny sposób kontrolować prędkość światła w zależności od tego, czy światło płynie wokół rezonatora pierścieniowego zgodnie z ruchem wskazówek zegara, czy przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Zapewnia to dodatkowy poziom kontroli, który nie jest możliwy w przypadku bardziej konwencjonalnych materiałów niemagnetycznych.
Perspektywy na przyszłość i skalowanie
Zespół pracuje obecnie nad skalowaniem z pojedynczej komórki pamięci do wielkoskalowej macierzy pamięci, która może obsłużyć jeszcze więcej danych do zastosowań obliczeniowych. W artykule zauważają, że niewzajemna komórka pamięci magnetooptycznej oferuje wydajne rozwiązanie do przechowywania nieulotnego, które może zapewnić nieograniczoną trwałość odczytu/zapisu przy prędkościach programowania krótszych niż nanosekunda.
„Wierzymy również, że przyszły postęp tej technologii może wykorzystać różne efekty w celu poprawy wydajności przełączania” – dodał Shoji z Tokio, „oraz że nowe techniki wytwarzania z materiałów innych niż Ce:YIG i bardziej precyzyjne osadzanie mogą jeszcze bardziej zwiększyć potencjał nie -wzajemne obliczenia optyczne.”
Odniesienie: „Zintegrowana niewzajemna magnetooptyka o ultrawysokiej wytrzymałości do fotonicznego przetwarzania w pamięci” autorstwa Paolo Pintusa, Mario Dumonta, Vivswana Shaha, Toshiyi Murai, Yuya Shoji, Duanni Huanga, Galana Moody’ego, Johna E. Bowersa i Nathana Youngblood, 23 października 2024 r., Fotonika Przyrody.
DOI: 10.1038/s41566-024-01549-1
Inni badacze biorący udział w tym projekcie to:
- John E. Bowers, wybitny wykładowca Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara
- Mario Dumont, doktorant na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Barbara
- Duanni Huang, były pracownik naukowy Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara
- Galan Moody, wykładowca Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara
- Toshiya Murai, badacz w Narodowym Instytucie Zaawansowanych Nauk i Technologii Przemysłowych w Japonii
- Vivswan Shah, doktorant na Uniwersytecie w Pittsburghu
Nowy Jork potwierdza wsparcie ze strony National Science Foundation w ramach grantów nr. ECCS-2210168/2210169 i CISE-2105972. Nowy Jork potwierdza wsparcie ze strony Centrum Obliczeń Badawczych Uniwersytetu w Pittsburghu (grant nr RRID:SCR_022735) za pośrednictwem udostępnionych zasobów. W szczególności w tej pracy wykorzystano klaster H2P, który jest wspierany przez nagrodę NSF nr. OAC-2117681.
PP, GM i JEB potwierdzają wsparcie ze strony Biura Badań Naukowych Sił Powietrznych w ramach nagród nr. FA9550-21-1-0042 i FA9550-20-1-0150. PP docenia także wsparcie ze strony Regionu Autonomicznego Sardynii za pośrednictwem programu „Mobilità Giovani Ricercatori (MGR)” Uniwersytetu w Cagliari; Włoskie Ministerstwo Szkolnictwa Wyższego i Badań za pośrednictwem projektu PRIN PNRR 2022 „Zintegrowane przetwarzanie magnetooptyczne (MAGIC)” (grant nr CUP F53D23008340001); oraz Fondazione di Sardegna w ramach projektu „Badanie nowatorskich materiałów i urządzeń magnetooptycznych dla krzemowo-fotonicznych układów scalonych” (grant nr CUP F73C23001820007). Wszelkie opinie, ustalenia, wnioski lub zalecenia wyrażone w tym materiale są opiniami autorów i niekoniecznie odzwierciedlają poglądy Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych.
