In-Memory-Computing für optisches Rechnen

Photonisches In-Memory-Computing (Bild: Brian Long, Senior Artist, ucsb.edu)

Pittsburgh (pte004/25.10.2024/06:15) - Ein internationales Team von Elektroingenieuren hat erstmals eine neuartige Methode für photonisches In-Memory-Computing entwickelt, die das optische Rechnen in naher Zukunft Wirklichkeit werden lassen könnte. Dazu zählen Forscher der University of Pittsburgh ( https://www.engineering.pitt.edu/ ) (Pitt), der University of California, Santa Barbara ( https://www.ucsb.edu/ ), der Universität Cagliari ( https://web.unica.it/unica/en/homepage.page ) und des Institute of Science Tokyo ( https://www.isct.ac.jp/en ). Ihre Ergebnisse ( https://www.nature.com/articles/s41566-024-01549-1 ) haben sie vor Kurzem in "Nature Photonics" publiziert.

Mehrstufiger Durchbruch

Diese Forschung bedeutet einen mehrstufigen Durchbruch in der optischen Datenverarbeitung dank einer schnelleren, effizienteren und robusteren Speicherzelle. Bisher waren Wissenschaftler bei der Entwicklung von photonischen Speichern für die KI-Verarbeitung eingeschränkt - sie gewannen eine wichtige Eigenschaft wie die Geschwindigkeit, opferten dafür aber eine andere, wie den Energieverbrauch.

Das Team hat nun eine Lösung gefunden, die derzeitige Beschränkungen optischer Speicher überwindet, die bisher keine Flüchtigkeit, keine Multibit-Speicherung, keine hohe Schaltgeschwindigkeit, keine geringe Schaltenergie und keine hohe Ausdauer in einer einzigen Plattform vereinen. "Die Materialien, die wir bei der Entwicklung dieser Zellen verwenden, sind bereits seit Jahrzehnten verfügbar. Sie wurden jedoch in erster Linie für statische optische Anwendungen wie On-Chip-Isolatoren genutzt und nicht als Plattform für leistungsstarke photonische Speicher", erklärt Co-Autor Nathan Youngblood von der Pitt.

Schnell und ausdauernd

"Diese Entdeckung ist eine Schlüsseltechnologie auf dem Weg zur schnelleren, effizienteren und skalierbaren optischen Computerarchitektur, die direkt mit CMOS-Schaltkreisen (komplementären Metalloxid-Halbleitern) programmiert werden kann", so Youngblood. Dies bedeute, dass sie in die heutige Computertechnologie integriert werden kann. Darüber habe die neue Technologie eine um drei Größenordnungen bessere Ausdauer als andere nichtflüchtige Ansätze gezeigt: 2,4 Mrd. Schaltzyklen und Geschwindigkeiten im Nanosekundenbereich.

Die Autoren setzen auf eine resonanzbasierte photonische Architektur, die die nicht-reziproke Phasenverschiebung in magneto-optischen Materialien ausnutzt, um photonisches In-Memory-Computing zu realisieren. Ein typischer Ansatz für photonische Verarbeitung besteht darin, einen sich schnell ändernden optischen Eingangsvektor mit einer Matrix fester optischer Gewichte zu multiplizieren. Die Codierung dieser Gewichte auf dem Chip mit herkömmlichen Methoden und Materialien hat sich jedoch als schwierig erwiesen.

Gesteuerte Lichtgeschwindigkeit

"Durch die Verwendung magneto-optischer Speicherzellen, die aus heterogen integriertem Cer-substituiertem Yttrium-Eisen-Granat auf Silizium-Mikroringresonatoren bestehen, bewirken die Zellen, dass sich das Licht bidirektional ausbreitet", erläutert Co-Autor Paulo Pintus von der Universität Cagliari. "Indem wir ein Magnetfeld an die Speicherzellen anlegen, können wir die Lichtgeschwindigkeit unterschiedlich steuern, je nachdem, ob das Licht im oder gegen den Uhrzeigersinn um den Ringresonator fließt. Dies bietet ein zusätzliches Maß an Kontrolle, das bei herkömmlichen nichtmagnetischen Materialien nicht möglich ist."

Das Team arbeitet jetzt daran, von einer einzelnen Speicherzelle zu einem groß angelegten Speicherarray aufzusteigen, das noch mehr Daten für Datenverarbeitungsanwendungen speichern kann. In ihrem Artikel halten die Forscher fest, dass die nicht-reziproke magneto-optische Speicherzelle eine effiziente nicht-flüchtige Speicherlösung bietet, die eine unbegrenzte Lese-/Schreibdauer bei Programmiergeschwindigkeiten von weniger als einer Nanosekunde ermöglichen könnte.

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