美國科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出新型光子內(nèi)存計(jì)算器件

日前，來自美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的科研團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出了一種集成非互易磁光技術(shù)的新型光子內(nèi)存計(jì)算器件。該器件通過利用非互易的相移現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了高速、高能效和超高耐久性的光子計(jì)算。這項(xiàng)研究成果以“Integrated non-reciprocal magneto-optics with ultra-high endurance for photonic in-memory computin”為題，發(fā)表在《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）上。

光子計(jì)算以其高速度和低能耗的優(yōu)勢(shì)成為人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域未來發(fā)展的重要方向之一。然而，目前的光子處理架構(gòu)面臨著存儲(chǔ)陣列更新速度慢、能耗高以及耐久性不足等挑戰(zhàn)。該研究團(tuán)隊(duì)提出的非互易磁光技術(shù)，通過將摻鈰釔鐵石榴石與硅微環(huán)諧振器集成，成功解決了這些瓶頸。利用這種材料的非互易相移特性，研究人員展示了光子內(nèi)存單元的快速編程（1納秒）、低能耗（每比特143飛焦耳）以及出色的耐久性（可編程24億次循環(huán)）。

圖. a.計(jì)算架構(gòu)與單元器件示意圖；d.內(nèi)存單元示意圖。

該技術(shù)的核心是通過磁光材料在微環(huán)諧振器中產(chǎn)生的非互易相移效應(yīng)來編碼光權(quán)重。與現(xiàn)有的基于熱光或等離子體色散效應(yīng)的光子權(quán)重不同，非互易磁光權(quán)重不僅提高了編程速度，還顯著提升了器件的抗疲勞性與多層次存儲(chǔ)能力。研究團(tuán)隊(duì)還指出，采用這一新架構(gòu)的光子計(jì)算平臺(tái)有望為人工智能的矩陣-向量乘法（MVM）提供更高的計(jì)算效

此次研究展示的光子內(nèi)存單元，在高速響應(yīng)和低能耗的特點(diǎn)下，能夠以極高的編程速度更新權(quán)重，并且大大減輕了系統(tǒng)整體的能耗負(fù)擔(dān)。尤其是在深度學(xué)習(xí)等需要大規(guī)模計(jì)算的應(yīng)用中，該技術(shù)可通過非揮發(fā)性、多比特存儲(chǔ)的方式，大幅降低傳統(tǒng)電學(xué)架構(gòu)的計(jì)算瓶頸，進(jìn)一步推動(dòng)未來計(jì)算架構(gòu)向更高效、綠色的方向發(fā)展。

結(jié)合該技術(shù)未來的發(fā)展前景，研究人員認(rèn)為，通過進(jìn)一步優(yōu)化材料的集成方式，例如利用自旋軌道轉(zhuǎn)矩或自旋轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)移效應(yīng)，有望實(shí)現(xiàn)更高的切換效率。此外，隨著摻鈰釔鐵石榴石與硅光子器件的單片集成技術(shù)的進(jìn)展，未來該技術(shù)在光子計(jì)算、磁性存儲(chǔ)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大。

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