光學計算領域的突破：更快、更高效的光子存儲單元

國際電氣工程師團隊首次開發(fā)出一種新的光子內存計算方法，這將在不久的將來使光學計算成為現(xiàn)實。

該團隊包括來自匹茲堡大學斯旺森工程學院、加州大學圣巴巴拉分校、卡利亞里大學和東京工業(yè)大學（現(xiàn)東京科學大學）的研究人員。他們的研究成果發(fā)表在今天的《自然·光子學》（Nature Photonics）雜志上，題為 “Integrated non-reciprocal magneto-optics with ultra-high endurance for photonic in-memory computing”。

圖片:搜狗截圖20241025104959.png

該組件上光子內存計算概念圖。

這項研究由匹茲堡大學電氣與計算機工程助理教授Nathan Youngblood與Paulo Pintus（曾在加州大學圣巴巴拉分校工作，現(xiàn)任意大利卡利亞里大學助理教授）和日本東京科學大學副教授Yuya Shoji共同協(xié)調完成。

圖. a.計算架構與單元器件示意圖；d.內存單元示意圖。

迄今為止，研究人員在開發(fā)用于人工智能處理的光子存儲器方面一直受到限制，在獲得速度等重要特性的同時，也犧牲了能源使用等另一特性。在這篇文章中，該國際團隊展示了一種獨特的解決方案，它解決了目前光存儲器的局限性，即在單一平臺中尚未結合非互易相移特性、多位存儲、高開關速度、低開關能量和高耐用性。

Youngblood 解釋說：“我們用于開發(fā)這些電池的材料已經問世幾十年了。然而，它們主要用于靜態(tài)光學應用，如片上隔離器，而不是高性能光子存儲器平臺。這一發(fā)現(xiàn)是實現(xiàn)更快、更高效、更可擴展的光計算架構的關鍵技術，該架構可直接使用 CMOS（互補金屬氧化物半導體）電路編程，這意味著它可以集成到當今的計算機技術中。此外，我們的技術顯示出比其他非互易性方法好三個數(shù)量級的耐用性，具有 24 億次開關周期和納秒級速度"。

作者提出了一種基于共振的光子架構，利用磁光材料中的非互易相移來實現(xiàn)光子內存計算。

光子處理的典型方法是將快速變化的光學輸入向量與固定光學權重矩陣相乘。然而，使用傳統(tǒng)方法和材料在芯片上編碼這些權重已被證明具有挑戰(zhàn)性。

通過在硅微環(huán)諧振器上使用由異質集成的鈰取代釔鐵石榴石（Ce:YIG）組成的磁光記憶單元，這些單元可以使光雙向傳播，就像短跑運動員在跑道上反向奔跑一樣。

通過控制光速進行計算

在加州大學圣巴巴拉分校領導實驗工作的Intus解釋說："這就像風吹著一個短跑運動員，而幫助另一個跑得更快。通過對記憶細胞施加磁場，我們可以根據(jù)光在環(huán)形諧振器上是順時針還是逆時針流動，以不同的方式控制光速。這提供了一種更傳統(tǒng)的非磁性材料無法實現(xiàn)的額外控制水平"。

該團隊目前正在努力將單個存儲單元升級為大規(guī)模存儲陣列，以便為計算應用提供更多數(shù)據(jù)支持。他們在文章中指出，非互易磁光存儲單元提供了一種高效的非易失性存儲解決方案，能以亞納秒級的編程速度提供無限的讀寫持久性。

東京的Shoji補充說：“我們還認為，這項技術的未來發(fā)展可以利用不同的效應來提高開關效率，使用 Ce:YIG 以外的材料和更精確的沉積的新制造技術可以進一步推動非互易光學計算的潛力”。

相關鏈接：https://phys.org/news/2024-10-multi-breakthrough-optical-faster-efficient.html

論文鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-024-01549-1