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(nèi)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(nèi)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(diào)完成。

圖. a.計算架構(gòu)與單元器件示意圖；d.內(nèi)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(jié)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(jīng)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(gòu)的關鍵技術(shù)，該架構(gòu)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(shù)中。此外，我們的技術(shù)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(gòu)，利用磁光材料中的非互易相移來實現(xiàn)光子內(nèi)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(quán)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(quán)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(zhì)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(shù)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(shù)可以進一步推動非互易光學計算的潛力”。

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