光学计算的多层次突破——更快、更高效、更健壮的存储单元
发布时间：2024-10-24 16:45:54 阅读数： 94
该组的光子内存计算概念图
国际电气工程师团队首次成功开发出一种新的内存光子计算方法，这使得光学计算在不久的将来有望成为现实。
该团队成员来自匹兹堡大学斯旺森工程学院、加州大学圣巴巴拉分校、卡利亚里大学以及东京工业大学（现为东京科学研究所）。他们的研究成果发表在今日的《自然光子学》杂志上，题目为 “用于光子内存计算的超高续航能力集成非互易磁光学”。
这项研究由匹兹堡大学电子和计算机工程助理教授内森・扬布拉德（Nathan Youngblood）以及保罗・平图斯（paul Pintus）共同协调，保罗・平图斯曾在加州大学圣巴巴拉分校工作，现为意大利卡利亚里大学助理教授；还有日本东京科学研究所副教授尤雅・正司（Yuya Shoji）。
迄今为止，研究人员在开发用于人工智能处理的光子存储器方面受到限制，往往在获得速度等重要属性时会牺牲能量消耗等另一个属性。在这篇文章中，国际团队展示了一种独特的解决方案，解决了当前光存储器的局限性，这些局限性在于尚未在单一平台中结合非易失性、多比特存储、高交换速度、低开关能量和高耐用性。“我们用于开发这些细胞的材料已经存在几十年了。然而，它们主要用于静态光学应用，如片上隔离器，而非高性能光子存储平台，” 扬布拉德解释说。“这一发现是实现更快、更高效、更可扩展的光学计算架构的关键技术，可以直接用 CMOS（互补金属氧化物半导体）电路编程，这意味着它可以集成到当今的计算机技术中。”“此外，我们的技术比其他非易失性方法表现出三个数量级的耐久性，具有 24 亿次切换周期和纳秒速度。”
作者提出了一种基于共振的光子结构，利用磁光材料的非互易相移来实现光子内存计算。
光子处理的一种典型方法是将快速变化的光输入矢量与固定光权的矩阵相乘。然而，使用传统的方法和材料在芯片上编码这些权重具有挑战性。
通过在硅微环谐振器上使用由异质集成铈取代钇铁石榴石（Ce:YIG）组成的磁光存储电池，该电池可以使光双向传播，就如同短跑运动员在跑道上相反方向奔跑一样。通过控制光速进行计算。
在加州大学圣巴巴拉分校领导这项实验工作的平图斯解释说：“这就像风在帮助一个短跑运动员跑得更快的同时，也在帮助另一个短跑运动员。”“通过在记忆细胞上施加磁场，我们可以根据光在环形谐振器周围是顺时针还是逆时针流动来控制光的速度。这提供了一个额外的控制水平，在更传统的非磁性材料中是不可能实现的。”
该团队目前正致力于将单个存储单元扩展到可以支持更多计算应用数据的大规模存储阵列。他们在文章中指出，非互易磁光存储单元提供了一种高效的非易失性存储解决方案，可以在亚纳秒的编程速度下提供无限的读 / 写持久性。“我们也相信这项技术的未来发展可以使用不同的效果来提高开关效率，” 东京的正司补充说，“使用 Ce:YIG 以外的材料和更精确的沉积的新制造技术可以进一步推进非互反光学计算的潜力。”
