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世界首个非易失性光学存储设备诞生

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来源: 作者: 2019-05-17 02:35:28

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2012年2月,《华尔街》曾发表文章《科技变革行将引领新的经济繁荣》大胆预见:“当今很快将掀起大数据、智能制造和无线络革命这三场宏大的技术变革。”而实现的必备途径之一是要具有更快的运算速度和长期可靠存储信息的装置。

据物理学家组织近道,一个国际研究团队传来好消息,他们研发出世界上第一个或可长时间存储数据且完全基于光的存储芯片。该装置可使用CD和DVD材料制造,并大大提高计算运行速度。该研究结果发表在最新一期的《自然·光子学》杂志上。

冯·诺依曼瓶颈困扰

这个国际研究团队可谓阵容强大,由英国牛津大学、德国明斯特大学、法国卡尔斯鲁厄理工学院和英国埃克赛特大学的材料科学家组成。

牛津大学的哈瑞教授说:“现在的计算机在处理器(CPU)和内存之间的电子数据传输速度相对缓慢。如果限制因素是从存储器里来回穿梭的信息即所谓冯诺依曼瓶颈,使用更快的处理器实际没有甚么意义。而我们认为采用光可以大大加快这1速度。”

冯·诺伊曼瓶颈指在现代计算机中,CPU和存储器之间的流量(数据传输率)与存储器的容量比起来相当小,在某些情况下,当CPU需要在巨大的数据上运行一些简单指令时,数据流量严重限制了整体效率的发挥。CPU则会在数据输入或输出存储器时闲置。由于CPU速度远大于存储器读写速率,因此瓶颈问题越来越严重。

而简单地采取光子在CPU和存储器的间壑上架起桥梁并不会出效力,由于需要在每个末端把它们转换成电子信号。相反内存和处理能力也需要以光为基础。之前研究人员已尝试创建这种光子记忆装备,但结果总是不稳定,因为存储数据需要电源。而对许多运用装备如计算机磁盘驱动器,带或不带电源都能够无限期地存储数据是必不可少的。

实现久长存储数据

现在,这个国际研究团队生产出世界上第一个非易失性光学存储器,采取的是相变材料Ge2Sb2Te5(GST)来存储数据,其与可擦写CD和DVD的材料相同。通过使用电子或光学脉冲,这类材料可以被制成无定形状态,像玻璃或晶体状态,亦像金属。研究人员描写了这种设备是利用了一小部分GST的氮化硅即称为波导来携带光。

研究证明,强烈的光脉冲通过波导发送可以缜密地改变GST状态。一道强烈的脉冲可使它瞬间融化、快速冷却,令其呈无定形结构;而轻微些的强脉冲会使其进入晶体状态。

接着,当较低强度的光通过波导发送时,在GST状态的差异会影响光传输的多少。该小组测量出当中的差异,以确定其状态,并在0或1的情况下读取存在的信息。

研究人员说:“这是至今为止创建的第一个真正的非易失性集成光学存储装置。我们已实现了用现有材料长时间保留数据,GST可寄存几十年。”

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提高计算运行速度

该研究团队在同一时间通过波导发送不同波长的光,这是一种波分复用技术,并且,他们使用单一的脉冲在存储器同时读和写。德国明斯特大学佩尼斯教授解释说,在理论上,这意味着我们可以一次读取和写入数千位的数据。

研究人员还发现,不同强度的脉冲可以准确反复地在GST里创建无定形和结晶结构的不同混合物。当低强度脉冲通过波导被发送到读取内容的装备,他们也能够在透射光里检测到细微的差异,允许其能够可靠地写入和读出八个不同组成状态:从完全结晶状态到非完全晶态。这种多状态的能力可以提供给内存单元超过通常二进制0和1的信息,允许一个单一的存储器存储几个状态,乃至进行计算,而不是在处理器里进行。

巴斯卡兰教授解释道:“这完全是一种利用现有成熟材料发挥出的全新功能。这些光位可以用高达1千兆赫的频率写入,并提供巨大的带宽实现现今计算机对于超快速数据存储的需要。”

目前,这个团队正致力于使这项新技术得到运用。他们特别有兴趣的是开发一种新的光电互连,以允许存储器芯片直接与其他组件使用光,而不是电信号。

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