Το τσιπ μνήμης που βασίζεται σε φως είναι το πρώτο που αποθηκεύει μόνιμα δεδομένα

Τα σημερινά ηλεκτρονικά τσιπ υπολογιστών λειτουργούν με εκπληκτικές ταχύτητες. Αλλά μια εναλλακτική έκδοση που αποθηκεύει, χειρίζεται και μετακινεί δεδομένα με φωτόνια φωτός αντί για ηλεκτρόνια θα έκανε τα σημερινά τσιπ να μοιάζουν με παροιμιώδη άλογα και καροτσάκια. Τώρα, μια ομάδα ερευνητών αναφέρει ότι δημιούργησε την πρώτη μόνιμη οπτική μνήμη σε ένα τσιπ, ένα κρίσιμο βήμα προς αυτή την κατεύθυνση.

«Είμαι πολύ θετικός για τη δουλειά», λέει ο Valerio Pruneri, φυσικός λέιζερ στο Ινστιτούτο Φωτονικών Επιστημών στη Βαρκελώνη της Ισπανίας, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα. "Είναι μια εξαιρετική επίδειξη μιας νέας ιδέας."

Το ενδιαφέρον για τα λεγόμενα φωτονικά τσιπ πηγαίνει πίσω δεκαετίες και είναι εύκολο να καταλάβει κανείς γιατί. Όταν τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσω των βασικών τμημάτων ενός τσιπ υπολογιστή - λογικά κυκλώματα που χειρίζονται δεδομένα, κυκλώματα μνήμης που τα αποθηκεύουν και μεταλλικά σύρματα που τα μεταφέρουν - προσκρούουν το ένα στο άλλο, επιβραδύνοντας και δημιουργώντας θερμότητα που πρέπει να απομακρυνθεί. Αυτό δεν συμβαίνει με τα φωτόνια, τα οποία ταξιδεύουν μαζί χωρίς αντίσταση, και το κάνουν με ταχύτητα φωτός. Οι ερευνητές έχουν ήδη φτιάξει τσιπ φιλικά προς τα φωτόνια, με οπτικές γραμμές που αντικαθιστούν μεταλλικά καλώδια και κυκλώματα οπτικής μνήμης. Αλλά τα εξαρτήματα έχουν μερικά σοβαρά μειονεκτήματα. Τα κυκλώματα μνήμης, για παράδειγμα, μπορούν να αποθηκεύσουν δεδομένα μόνο εάν έχουν σταθερή παροχή ρεύματος. Όταν απενεργοποιηθεί η τροφοδοσία, εξαφανίζονται και τα δεδομένα.

Τώρα, οι ερευνητές με επικεφαλής τον Harish Bhaskaran, ειδικό στη νανομηχανική στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης στο Ηνωμένο Βασίλειο, και τον ηλεκτρολόγο μηχανικό Wolfram Pernice στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καρλσρούης στη Γερμανία, έχουν βρει μια λύση στο πρόβλημα της μνήμης που εξαφανίζεται χρησιμοποιώντας ένα υλικό στο καρδιά από επανεγγράψιμα CD και DVD. Αυτό το υλικό - συντομογραφία GST - αποτελείται από ένα λεπτό στρώμα κράματος γερμανίου, αντιμονίου και τελλουρίου. Όταν χτυπιέται με έναν έντονο παλμό φωτός λέιζερ, το φιλμ GST αλλάζει την ατομική του δομή από ένα διατεταγμένο κρυσταλλικό πλέγμα σε ένα «άμορφο» συνονθύλευμα. Αυτές οι δύο δομές αντανακλούν το φως με διαφορετικούς τρόπους και τα CD και τα DVD χρησιμοποιούν αυτή τη διαφορά για την αποθήκευση δεδομένων. Για να διαβάσετε τα δεδομένα—αποθηκευμένα ως μοτίβα μικροσκοπικών σημείων με κρυσταλλική ή άμορφη σειρά—μια μονάδα CD ή DVD εκπέμπει φως λέιζερ χαμηλής έντασης σε έναν δίσκο και παρακολουθεί τον τρόπο με τον οποίο το φως αναπηδά.

Στην εργασία τους με το GST, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι το υλικό επηρέασε όχι μόνο τον τρόπο με τον οποίο το φως αντανακλάται από το φιλμ, αλλά και το πόσο απορροφάται. Όταν ένα διαφανές υλικό βρισκόταν κάτω από το φιλμ GST, κηλίδες με κρυσταλλική τάξη απορροφούσαν περισσότερο φως από ό,τι οι κηλίδες με άμορφη δομή.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές ήθελαν να δουν αν θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν αυτή την ιδιότητα για να αποθηκεύουν μόνιμα δεδομένα σε ένα τσιπ και αργότερα να τα διαβάσουν. Για να το κάνουν αυτό, χρησιμοποίησαν την τυπική τεχνολογία κατασκευής τσιπ για να εξοπλίσουν ένα τσιπ με μια συσκευή νιτριδίου του πυριτίου, γνωστή ως κυματοδηγός, η οποία περιέχει και διοχετεύει παλμούς φωτός. Στη συνέχεια, τοποθέτησαν ένα έμπλαστρο νανοκλίμακας GST στην κορυφή αυτού του κυματοδηγού. Για να γράψουν δεδομένα σε αυτό το στρώμα, οι επιστήμονες διοχέτευσαν έναν έντονο παλμό φωτός στον κυματοδηγό. Η υψηλή ένταση του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου του φωτός έλιωσε το GST, μετατρέποντας την κρυσταλλική ατομική του δομή άμορφη. Ένας δεύτερος, ελαφρώς λιγότερο έντονος παλμός θα μπορούσε στη συνέχεια να κάνει το υλικό να επιστρέψει στην αρχική του κρυσταλλική δομή.

Όταν οι ερευνητές θέλησαν να διαβάσουν τα δεδομένα, ακτινοβολούσαν λιγότερο έντονους παλμούς φωτός και μέτρησαν πόσο φως μεταδόθηκε μέσω του κυματοδηγού. Εάν απορροφούνταν λίγο φως, ήξεραν ότι το σημείο δεδομένων τους στο GST είχε μια άμορφη τάξη. Εάν απορροφήθηκε περισσότερο, αυτό σήμαινε ότι ήταν κρυσταλλικό.

Οι Bhaskaran, Pernice και οι συνάδελφοί τους έλαβαν επίσης μέτρα για να αυξήσουν δραματικά τον όγκο των δεδομένων που μπορούσαν να αποθηκεύσουν και να διαβάσουν. Για αρχή, έστειλαν πολλαπλά μήκη κύματος φωτός μέσω του κυματοδηγού ταυτόχρονα, επιτρέποντάς τους να γράφουν και να διαβάζουν πολλά bits δεδομένων ταυτόχρονα, κάτι που δεν μπορείτε να κάνετε με ηλεκτρικές συσκευές αποθήκευσης δεδομένων. Και, όπως αναφέρουν αυτή την εβδομάδα στο Nature Photonics , μεταβάλλοντας την ένταση των παλμών εγγραφής δεδομένων τους, ήταν επίσης σε θέση να ελέγχουν πόσο από κάθε έμπλαστρο GST έγινε κρυσταλλικό ή άμορφο κάθε φορά. Με αυτή τη μέθοδο, θα μπορούσαν να κάνουν ένα έμπλαστρο 90% άμορφο αλλά μόλις 10% κρυσταλλικό και ένα άλλο 80% άμορφο και 20% κρυσταλλικό. Αυτό κατέστησε δυνατή την αποθήκευση δεδομένων σε οκτώ διαφορετικούς τέτοιους συνδυασμούς, όχι μόνο τα συνηθισμένα δυαδικά 1 και 0 που θα χρησιμοποιούνται για 100% άμορφα ή κρυσταλλικά σημεία. Αυτό αυξάνει δραματικά τον όγκο των δεδομένων που μπορεί να αποθηκεύσει κάθε σημείο, λέει ο Bhaskaran.

Οι φωτονικές μνήμες έχουν ακόμη πολύ δρόμο να διανύσουν αν ελπίζουν ποτέ να φτάσουν τις ηλεκτρονικές αντίστοιχές τους. Τουλάχιστον, η πυκνότητα αποθήκευσής τους θα πρέπει να ανέλθει σε τάξεις μεγέθους για να είναι ανταγωνιστική. Τελικά, λέει ο Bhaskaran, εάν μια πιο προηγμένη φωτονική μνήμη μπορεί να ενσωματωθεί με φωτονική λογική και διασυνδέσεις, τα τσιπ που προκύπτουν έχουν τη δυνατότητα να λειτουργούν με ταχύτητα 50 έως 100 φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα των σημερινών επεξεργαστών υπολογιστών.