Оптическое постоянное запоминающее устройство

Технологический институт, Карлсруэ

Первый полностью оптический чип постоянного запоминающего устройства разработан учеными из Технологического института Карлсруэ и университетов Мюнстера, Оксфорда и Экстера. Это очень важный шаг на пути к созданию оптических компьютеров. Материалы с фазовым переходом, свойства которых изменяются в зависимости от расположения атомов, позволяют запоминать в одной ячейке несколько бит. Ученые представили результаты своей разработки в журнале Nature Photonics (10.1038/nphoton.2015.182).

Свет определяет будущее информационной и телекоммуникационной технологий — компьютеры работают быстрее и более эффективно. Оптические волокна уже давно используются для передачи данных с помощью света. Но в компьютере данные все еще обрабатываются и сохраняются электронными средствами. Электронный обмен данными между процессорами и запоминающими устройствами (ЗУ) ограничивает скорость работы современных компьютеров. Для преодоления этого так называемого ограничения Ноймана недостаточно оптически соединить ЗУ и процессор, поскольку оптический сигнал должен быть снова преобразован в электрический. Вот почему ученые ведут поиски способов выполнять вычислительные операции и запоминание данных только оптическими средствами.

Новое ЗУ может хранить данные в течение десятилетий, даже если питание отключено. Его способность сохранять много бит в одиночной ячейке размером в одну миллиардную метра (многоуровневая память) также привлекает большое внимание. Вместо стандартных значений информационных символов 1 и 0, в одном элементе сохраняется несколько состояний, что дает возможность производить даже автономные вычислительные операции. Это возможно благодаря использованию так называемых материалов с фазовым переходом, чьи оптические свойства изменяются в зависимости от расположения атомов — в течение крайне малых промежутков времени возможен переход из кристаллического (регулярного) состояния в аморфное (нерегулярное) и обратно. В ЗУ ученые использовали материал с фазовым переходом Ge2Sb2Te5 (GST). Переход из кристаллического состояния в аморфное (операция запоминания) и из аморфного состояния в кристаллическое (стирание) инициируется сверхкороткими световыми импульсами. Для считывания данных применяются слабые световые импульсы.

Полностью оптические чипы постоянной памяти могут существенно улучшить характеристики компьютеров в будущем, в том числе снизить энергопотребление. В сочетании с полностью оптически соединениями эти устройства способны значительно сократить величину задержки. При этом отпадет потребность в большом энергопотреблении при преобразовании оптических сигналов в электрические и наоборот.