光学计算的多层次突破——更快、更高效、更强大的存储单元

Josiah02 · 发表于 2024-10-25 20:06:04

国际电气工程师团队首次开发出一种新的光子内存计算方法，该方法可以在不久的将来使光学计算成为现实。
该团队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。他们的研究成果今天发表在《自然光子学》杂志上，题为“用于光子内存计算的超高耐久性集成非互易磁光学”。
这项研究是由匹兹堡大学电气与计算机工程系助理教授 Nathan Youngblood 与加州大学圣巴巴拉分校前教授、现任意大利卡利亚里大学助理教授的 Paulo Pintus 以及日本东京科学研究所副教授 Yuya Shoji 共同协调的合作研究成果。
到目前为止，研究人员在开发用于 AI 处理的光子存储器方面受到限制——获得了速度等重要属性，但牺牲了能耗等另一个重要属性。在这篇文章中，国际团队展示了一种独特的解决方案，解决了光学存储器的当前局限性，即尚未将非易失性、多位存储、高切换速度、低切换能量和高耐用性结合在一个平台上。
“我们用于开发这些电池的材料已经存在了几十年。然而，它们主要用于静态光学应用，例如片上隔离器，而不是高性能光子存储器平台，”Youngblood 解释道。
“这一发现是实现更快、更高效、更具可扩展性的光学计算架构的关键技术，该架构可直接用 CMOS（互补金属氧化物半导体）电路进行编程，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久性高出三个数量级，具有 24 亿次开关周期和纳秒级速度。”
作者提出了一种基于共振的光子结构，利用磁光材料中的非互易相移来实现光子内存计算。
光子处理的一个典型方法是将快速变化的光输入矢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铈取代钇铁石榴石（Ce：YIG）组成的磁光存储单元，这些单元使光双向传播，就像短跑运动员在跑道上朝相反方向奔跑一样。
通过控制光速进行计算
“这就像风吹向一个短跑运动员，同时帮助另一个跑得更快，”领导加州大学圣巴巴拉分校实验工作的 Pintus 解释道。
“通过向存储单元施加磁场，我们可以根据光在环形谐振器周围顺时针或逆时针流动的方式控制光速。这提供了更传统的非磁性材料无法实现的额外控制水平。”
该团队目前正在努力将单个存储单元扩展到大规模存储阵列，以便为计算应用提供更多数据。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，可以在亚纳秒编程速度下提供无限的读/写耐久性。
“我们还相信，这项技术的未来发展可以利用不同的效应来提高切换效率，”东京的 Shoji 补充道，“而采用除 Ce:YIG 之外的其他材料的新制造技术以及更精确的沉积可以进一步提升非互易光学计算的潜力。”

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