光学计算领域的突破：更快、更高效的光子存储单元

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，这将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（现东京科学大学）的研究人员。他们的研究成果发表在今天的《自然·光子学》（Nature Photonics）杂志上，题为 “Integrated non-reciprocal magneto-optics with ultra-high endurance for photonic in-memory computing”。

这项研究由匹兹堡大学电气与计算机工程助理教授Nathan Youngblood与Paulo Pintus（曾在加州大学圣巴巴拉分校工作，现任意大利卡利亚里大学助理教授）和日本东京科学大学副教授Yuya Shoji共同协调完成。

图. a.计算架构与单元器件示意图；d.内存单元示意图。

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，在获得速度等重要特性的同时，也牺牲了能源使用等另一特性。在这篇文章中，该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互易相移特性、多位存储、高开关速度、低开关能量和高耐用性。

Youngblood 解释说：“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平台。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，我们的技术显示出比其他非互易性方法好三个数量级的耐用性，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，就像短跑运动员在跑道上反向奔跑一样。

通过控制光速进行计算

在加州大学圣巴巴拉分校领导实验工作的Intus解释说："这就像风吹着一个短跑运动员，而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。这提供了一种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升级为大规模存储阵列，以便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，能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”。

相关链接：https://phys.org/news/2024-10-multi-breakthrough-optical-faster-efficient.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-024-01549-1