研究人员公布了一种新的光子内存计算方法

一个由电子工程师组成的全球团队首次开发出一种新的光子内存计算方法，使光学计算更接近现实。研究小组成员包括来自匹兹堡大学斯旺森工程学院、加州大学圣巴巴拉分校、卡利亚里大学和东京工业大学（现为东京科学研究所）的研究人员。 他们的研究成果于10月23日发表在Nature Photonics杂志上（"用于光子内存计算的具有超高耐用性的集成非互易磁光学器件"）。

该研究小组的光子内存计算概念图。 图片来源：加州大学伯克利分校高级艺术家 Brian Long 编辑

该技术采用磁光材料，可实现高速、低能耗和耐用的内存解决方案，适合与现有计算技术集成。

这项研究是由匹兹堡大学电气与计算机工程助理教授 Nathan Youngblood 与前加州大学圣巴巴拉分校、现卡利亚里大学助理教授 Paulo Pintus 和东京科学研究所副教授 Yuya Shoji 共同领导的。

迄今为止，研究人员在开发用于人工智能处理的光子存储器方面一直受到限制--在获得速度等重要属性的同时，却牺牲了能源使用等其他属性。 在这篇文章中，国际团队展示了一种独特的解决方案，它解决了目前光存储器的局限性，即在单一平台中尚未结合非挥发性、多位存储、高开关速度、低开关能量和高耐用性。

"我们用于开发这些电池的材料已经问世几十年了。 然而，它们主要用于静态光学应用，如片上隔离器，而不是高性能光子存储器的平台，"Youngblood 解释说。"这一发现是实现更快、更高效、更可扩展的光计算架构的关键技术，该架构可直接使用 CMOS（互补金属氧化物半导体）电路编程，这意味着它可以集成到当今的计算机技术中。此外，我们的技术比其他非易失性方法的耐用性高出三个数量级，开关周期达 24 亿次，速度达纳秒级。"

作者提出了一种基于共振的光子架构，利用磁光材料中的非互易相移来实现光子内存计算。

光子处理的典型方法是将快速变化的光学输入向量与固定光学权重矩阵相乘。 然而，使用传统方法和材料在芯片上编码这些权重已被证明具有挑战性。 通过在硅微环谐振器上使用由异质集成的铈取代钇铁石榴石（Ce:YIG）组成的磁光记忆单元，这些单元可以使光双向传播，就像短跑运动员在赛道上反向奔跑一样。

在加州大学圣巴巴拉分校领导实验工作的平图斯解释说："这就好比风对一个短跑运动员吹，同时帮助另一个跑得更快。通过对记忆细胞施加磁场，我们可以根据光在环形谐振器上是顺时针还是逆时针流动，以不同的方式控制光速。 这提供了更多传统非磁性材料无法实现的控制水平。"

该团队目前正致力于将单个存储单元扩展到大规模存储阵列，从而为计算应用提供更多数据支持。 他们在文章中指出，非互易磁光存储单元提供了一种高效的非易失性存储解决方案，可以亚纳秒级的编程速度提供无限的读写持久性。

东京的 Shoji 补充说："我们还认为，这项技术的未来发展可以利用不同的效应来提高开关效率，使用 Ce:YIG 以外的材料和更精确的沉积的新制造技术可以进一步推动非互易光学计算的潜力。"

编译自/SciTechDaily

DOI: 10.1038/s41566-024-01549-1

该项目的其他研究人员包括：

• 约翰-鲍尔斯（John E. Bowers），加州大学圣巴巴拉分校杰出教师

• 马里奥-杜蒙特，加州大学圣巴巴拉分校研究生研究员

• Duanni Huang，加州大学圣巴巴拉分校前研究员

• 加利福尼亚大学圣巴巴拉分校教师 Galan Moody

• Toshiya Murai，日本国立产业技术综合研究所研究员

• Vivswan Shah，匹兹堡大学研究生研究员