光學(xué)計(jì)算領(lǐng)域的突破：更快、更高效的光子存儲(chǔ)單元

國(guó)際電氣工程師團(tuán)隊(duì)首次開(kāi)發(fā)出一種新的光子內(nèi)存計(jì)算方法，這將在不久的將來(lái)使光學(xué)計(jì)算成為現(xiàn)實(shí)。

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

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

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。

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

Youngblood 解釋說(shuō)：“我們用于開(kāi)發(fā)這些電池的材料已經(jīng)問(wèn)世幾十年了。然而，它們主要用于靜態(tài)光學(xué)應(yīng)用，如片上隔離器，而不是高性能光子存儲(chǔ)器平臺(tái)。這一發(fā)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)更快、更高效、更可擴(kuò)展的光計(jì)算架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，該架構(gòu)可直接使用 CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）電路編程，這意味著它可以集成到當(dāng)今的計(jì)算機(jī)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(gè)數(shù)量級(jí)的耐用性，具有 24 億次開(kāi)關(guān)周期和納秒級(jí)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(lái)實(shí)現(xiàn)光子內(nèi)存計(jì)算。

光子處理的典型方法是將快速變化的光學(xué)輸入向量與固定光學(xué)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(guò)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(yùn)動(dòng)員在跑道上反向奔跑一樣。

通過(guò)控制光速進(jìn)行計(jì)算

在加州大學(xué)圣巴巴拉分校領(lǐng)導(dǎo)實(shí)驗(yàn)工作的Intus解釋說(shuō)："這就像風(fēng)吹著一個(gè)短跑運(yùn)動(dòng)員，而幫助另一個(gè)跑得更快。通過(guò)對(duì)記憶細(xì)胞施加磁場(chǎng)，我們可以根據(jù)光在環(huán)形諧振器上是順時(shí)針還是逆時(shí)針流動(dòng)，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(wú)法實(shí)現(xiàn)的額外控制水平"。

該團(tuán)隊(duì)目前正在努力將單個(gè)存儲(chǔ)單元升級(jí)為大規(guī)模存儲(chǔ)陣列，以便為計(jì)算應(yīng)用提供更多數(shù)據(jù)支持。他們?cè)谖恼轮兄赋�，非互易磁光存�?chǔ)單元提供了一種高效的非易失性存儲(chǔ)解決方案，能以亞納秒級(jí)的編程速度提供無(wú)限的讀寫(xiě)持久性。

東京的Shoji補(bǔ)充說(shuō)：“我們還認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展可以利用不同的效應(yīng)來(lái)提高開(kāi)關(guān)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(jìn)一步推動(dòng)非互易光學(xué)計(jì)算的潛力”。

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