Der lichtbasierte Speicherchip ist der erste, der Daten dauerhaft speichert | 2020

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Anonim

Heutige Computer werden durch die relativ langsame Übertragung elektronischer Daten zwischen Prozessor und Speicher zurückgehalten. "Es macht keinen Sinn, schnellere Prozessoren zu verwenden, wenn der limitierende Faktor das Hin- und Herbewegen von Informationen aus dem Speicher ist - der sogenannte von-Neumann-Engpass", erklärt Professor Harish Bhaskaran, der die Forschung leitete. "Wir glauben jedoch, dass die Verwendung von Licht dies erheblich beschleunigen kann."

Eine einfache Überbrückung der Prozessor-Speicher-Lücke mit Photonen ist jedoch nicht effizient, da diese an jedem Ende wieder in elektronische Signale umgewandelt werden müssen. Stattdessen müssten Speicher- und Verarbeitungsfunktionen auch auf Licht basieren. Forscher haben versucht, diese Art von photonischem Speicher zu erstellen, aber die Ergebnisse waren immer volatil und erforderten Strom, um Daten zu speichern. Für viele Anwendungen - wie z. B. Computerlaufwerke - ist es wichtig, Daten mit oder ohne Strom unbegrenzt speichern zu können.

Jetzt hat ein internationales Forscherteam, zu dem auch Forscher des Department of Materials der Universität Oxford gehören, den weltweit ersten vollphotonischen nichtflüchtigen Speicherchip hergestellt. Das neue Gerät verwendet das Phasenwechselmaterial Ge2Sb2Te5 (GST) - das gleiche wie bei wiederbeschreibbaren CDs und DVDs - zum Speichern von Daten. Dieses Material kann unter Verwendung elektrischer oder optischer Impulse in einen amorphen Zustand wie Glas oder in einen kristallinen Zustand wie ein Metall gebracht werden. In einem Artikel veröffentlicht in Natur-Photonik beschreiben die Forscher das Gerät, das sie erstellt haben und das einen kleinen Abschnitt von GST auf einem Siliziumnitridgrat, bekannt als Wellenleiter, verwendet, um Licht zu transportieren.

Das Team hat gezeigt, dass intensive Lichtimpulse, die durch den Wellenleiter gesendet werden, den Zustand der GST sorgfältig ändern können. Ein intensiver Puls lässt es vorübergehend schmelzen und schnell abkühlen, wodurch es eine amorphe Struktur annimmt. Ein etwas weniger intensiver Puls kann ihn in einen kristallinen Zustand versetzen.

Wenn später Licht mit viel geringerer Intensität durch den Wellenleiter gesendet wird, beeinflusst der Unterschied im Zustand der GST, wie viel Licht übertragen wird. Das Team kann diesen Unterschied messen, um seinen Status zu ermitteln - und das Vorhandensein von Informationen im Gerät als 1 oder 0 ablesen. "Dies ist das erste wirklich nichtflüchtige integrierte optische Speichergerät, das jemals erstellt wurde", erklärt Clarendon Scholar und DPhil-Student Carlos Ríos, einer der beiden Hauptautoren der Arbeit. "Und wir haben es mit etablierten Materialien erreicht, die für ihre langfristige Datenaufbewahrung bekannt sind - GST bleibt in dem Zustand, in dem es sich seit Jahrzehnten befindet."

Durch gleichzeitiges Senden verschiedener Lichtwellenlängen durch den Wellenleiter - eine Technik, die als Wellenlängenmultiplex bezeichnet wird - konnte das Team auch zeigen, dass ein einzelner Impuls zum gleichzeitigen Schreiben und Lesen in den Speicher verwendet werden kann. "Theoretisch bedeutet dies, dass wir mit nahezu unbegrenzter Bandbreite Tausende von Bits gleichzeitig lesen und schreiben können", erklärt Professor Wolfram Pernice von der Universität Münster.

Die Forscher haben auch herausgefunden, dass unterschiedliche Intensitäten starker Pulse genau und wiederholt unterschiedliche Gemische aus amorpher und kristalliner Struktur innerhalb der GST erzeugen können. Wenn Impulse mit geringerer Intensität durch den Wellenleiter gesendet wurden, um den Inhalt des Geräts zu lesen, konnten sie auch die subtilen Unterschiede im durchgelassenen Licht erkennen und so acht verschiedene Ebenen der Zustandszusammensetzung zuverlässig schreiben und ablesen - von vollständig kristallin bis zu völlig amorph. Diese Mehrzustandsfähigkeit könnte Speichereinheiten mit mehr als der üblichen binären Information von 0 und 1 versorgen, wodurch ein einzelnes Speicherbit mehrere Zustände speichern oder sogar selbst Berechnungen durchführen kann, anstatt am Prozessor.

"Dies ist eine völlig neue Art von Funktionalität, bei der bewährte vorhandene Materialien verwendet werden", erklärt Professor Bhaskaran. 'Diese optischen Bits können mit Frequenzen von bis zu einem Gigahertz geschrieben werden und können enorme Bandbreiten bereitstellen. Dies ist die Art von ultraschneller Datenspeicherung, die moderne Computer benötigen. '

Jetzt arbeitet das Team an einer Reihe von Projekten, die darauf abzielen, die neue Technologie zu nutzen. Sie sind insbesondere an der Entwicklung einer neuen Art von elektrooptischer Verbindung interessiert, die es den Speicherchips ermöglicht, mit Licht anstelle von elektrischen Signalen direkt an andere Komponenten anzuschließen.