Onderzoekers hebben een nieuwe techniek gedemonstreerd die meer optische gegevens kan opslaan in een kleinere ruimte dan voorheen op de chip mogelijk was. Deze techniek verbetert de optische geheugencel met faseverandering, die licht gebruikt om gegevens te schrijven en te lezen, en kan een snellere, meer energie-efficiënte vorm van geheugen voor computers.

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met hoge impact, onderzoekers van de universiteiten van Oxford, Exeter en Münster beschrijven hun nieuwe techniek voor volledig optische gegevensopslag, die zou kunnen helpen voldoen aan de groeiende behoefte aan meer computergegevensopslag.

In plaats van elektrische signalen te gebruiken om gegevens op te slaan in een van de twee toestanden - een nul of een - zoals de computers van vandaag, de optische geheugencel gebruikt licht om informatie op te slaan. De onderzoekers demonstreerden optisch geheugen met meer dan 32 toestanden, of niveaus, het equivalent van 5 bits. Dit is een belangrijke stap in de richting van een volledig optische computer, een langetermijndoel van veel onderzoeksgroepen op dit gebied.

"Optische vezels brengen lichtgecodeerde gegevens naar onze huizen en kantoren, maar die informatie wordt eenmaal in computers omgezet in elektronische signalen, ", zei onderzoeksteamleider Harish Bhaskaran uit Oxford. "Door de snelheid van op licht gebaseerde gegevensoverdracht naar de printplaten waarop computers draaien, te brengen, ons volledig optische geheugen kan een hybride computerchip mogelijk maken die zowel optisch als elektrisch met gegevens communiceert."

Het nieuwe werk maakt deel uit van een groot project genaamd Fun-COMP, voor Functioneel geschaalde Computing-technologie, dat academische en industriële partners samenbrengt om baanbrekende hardwaretechnologieën te ontwikkelen.

Gegevens schrijven met licht

De optische geheugencel gebruikt licht om informatie in een faseovergangsmateriaal te coderen, een klasse van materialen die worden gebruikt om herbeschrijfbare cd's en dvd's te maken. Een laser verwarmt delen van een faseovergangsmateriaal, waardoor het schakelt tussen toestanden waarin alle atomen geordend of ongeordend zijn. Omdat deze twee toestanden verschillende optische brekingsindices vertonen, de gegevens kunnen worden gelezen met behulp van licht.

Faseovergangsmaterialen kunnen gegevens lange tijd opslaan omdat ze in de ongeordende of geordende toestand blijven totdat ze opnieuw worden verlicht met het specifieke type laserlicht dat oorspronkelijk werd gebruikt om de gegevens te schrijven. Door verschillende verhoudingen van geordende en ongeordende toestanden in een gebied van het materiaal te mengen, kan informatie worden opgeslagen in een continuüm van niveaus in plaats van alleen een nul en een één zoals in traditioneel elektronisch geheugen.

"Hoewel ons team eerder deze benadering van optisch geheugen heeft gebruikt, we hebben nu de resolutielimieten van deze geheugencel kunnen verleggen door een groter aantal tussentoestanden op te slaan tussen nul en één, " zei Nathan Jongbloed, een lid van het onderzoeksteam. "Hierdoor konden we informatie opslaan in 34 niveaus, terwijl er voorheen slechts 10 konden worden behaald."

De onderzoekers bereikten de verhoogde resolutie door gebruik te maken van een nieuwe techniek die ze ontwikkelden en die laserlicht gebruikt met een enkele, dubbelstaps puls - twee pulsen samengevoegd tot een rechthoekige puls - om het smelten en de kristallisatie van het materiaal nauwkeurig te regelen.

"In plaats van het materiaal te verhitten met een enkele laserpuls, we vormen de puls op een manier die ons in staat stelt de temperatuur van het materiaal in de loop van de tijd te regelen, " zei Xuan Li, de eerste auteur van de krant. "Dit biedt de mogelijkheid om aan te passen hoe dat materiaal interageert met licht en de staat die het zal bereiken na verwarming. Het versnelt ook het schrijfproces enorm omdat we de staat van het materiaal kunnen veranderen met slechts één laserpuls in plaats van de honderden of duizenden pulsen eerder vereist."

Geheugenopslag op meerdere niveaus

In de krant, de onderzoekers toonden aan dat ze hun aanpak konden gebruiken om gegevens op 34 niveaus betrouwbaar te coderen, wat meer is dan de 32 niveaus die nodig zijn om 5-bits programmering te bereiken. "Deze prestatie vereiste een perfect begrip van de interactie tussen het licht en het materiaal en het verzenden van precies de juiste soort laserpuls die nodig is om elk niveau te bereiken, " zei Bhaskaran. "We hebben een buitengewoon moeilijk probleem opgelost."

De nieuwe techniek zou kunnen helpen een van de knelpunten te overwinnen die de snelheid van de huidige computers beperken:de koppeling tussen de processor en het geheugen. "Er is veel werk gestoken in het verbeteren van de communicatie tussen deze twee units met behulp van glasvezel, "zei Bhaskaran. "Echter, het optisch koppelen van deze twee eenheden vereist nog steeds dure elektro-optische conversies aan beide uiteinden. Onze geheugencel zou kunnen worden gebruikt in een hybride optisch-elektrische opstelling om de noodzaak voor die conversie aan de geheugenzijde te elimineren door gegevens optisch op te slaan en op te halen."

Vervolgens willen de onderzoekers meerdere geheugencellen integreren en individueel programmeren, die nodig zou zijn om een ​​werkgeheugenchip voor een computer te maken. De onderzoeksgroepen hebben nauw samengewerkt met Oxford University Innovation, de innovatietak van de universiteit, om commerciële kansen te ontwikkelen die voortvloeien uit hun onderzoek naar fotonische geheugencellen. De onderzoekers zeggen dat ze de apparaten al buitengewoon goed kunnen repliceren, maar zullen lichtsignaalverwerkingstechnieken moeten ontwikkelen om meerdere optische geheugencellen te integreren.