Создан первый полностью оптический чип энергонезависимой памяти - «Наука и технологии»

Использование света определяет будущее информационно-коммуникационных технологий - при помощи использования оптических компонентов компьютеры обретут способность работать более быстро и более эффективно. Оптическое волокно уже давно используется для передачи данных при помощи света, но в недрах компьютеров данные передаются и обрабатываются пока еще по-старинке, при помощи электрических сигналов и электронных компонентов. Именно реализация электронного варианта обмена данными между процессором и оперативной памятью является главным ограничителем быстродействия нынешних компьютеров, узким местом архитектуры фон Неймана. И для расширения этого узкого места совершенно недостаточно организовать оптический интерфейс между памятью и процессором, на обоих концах этого интерфейса все равно придется выполнять преобразование электрических сигналов в оптические и наоборот. Именно поэтому ученые из различных стран интенсивно занимаются разработкой методов выполнения обработки и хранения данных, основанных на использовании исключительно оптических и фотонных технологий.

Достаточно серьезного успеха на этом поприще удалось добиться ученым из Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT), которые работали совместно с учеными из университетов Мюнстера, Оксфорда и Эксетера. Этим ученым удалось создать первый полностью оптический чип энергонезависимой памяти, что является важным шагом на пути разработки оптическо-фотонных компьютеров. Использованные в этом чипе энергоемкие материалы, изменяющие их оптические свойства в зависимости от расположения атомов в их кристаллической решетке, позволяют хранить в одной ячейке сразу несколько бит данных, что является неоспоримым преимуществом по сравнению с другими типами энергонезависимой памяти.

"Запись в чипы оптической памяти может производиться на частотах порядка гигагерца, что позволит запоминающим устройствам с такой памятью работать с очень высоким быстродействием" - рассказывает профессор Уолфрэм Пернайс (Wolfram Pernice), возглавляющий научную группу в KIT, - "Кроме этого, разработанная нами память полностью совместима с оптическими системами, используемыми в оптоволоконных коммуникациях. А алгоритмы доступа к содержимому ячеек делает новую память совместимой с некоторыми типами самых последних процессоров".

Основным преимуществом новой оптической памяти является ее энергонезависимый характер. Информация в ней может храниться десятилетиями, даже если чипы памяти не работают и находятся в обесточенном состоянии. Одна "многоуровневая" ячейка, которая имеет размер в одну миллиардную долю метра, позволяет хранить несколько бит данных, кроме этого, ячейка может использоваться в качестве простейшего логического элемента, выполняющего примитивные функции обработки записанной в нее информации.

Описанные выше "чудеса" стали реальностью благодаря использованию так называемых энергоемких материалов, в частности, Ge2Sb2Te5 (GST). Это материалы нового класса, которые способны изменять их оптические свойства в зависимости от их насыщенности энергией. Насыщение энергией этих материалов приводит к сдвигам атомов и изменению структуры их кристаллической решетки от кристаллической (прозрачной) формы до аморфного (непрозрачного) состояния, и такие изменения происходят весьма быстро под воздействием сверхкоротких управляющих импульсов лазерного света. А считывание записанных данных производится при помощи сверхкоротких импульсов света меньшей интенсивности.

Но, для того, чтобы использовать все преимущества новой энергонезависимой оптической памяти ученым придется еще немало поработать в самых разных направлениях. Естественно, что ожидать скорого появления фотонных аналогов современных микропроцессоров не стоит, но и обычные электронные процессоры также смогут начать использование оптической памяти. Для этого потребуется создание оптического интерфейса, только на одном из концов которого будет производиться энергоемкий процесс преобразования электрических сигналов в световые.