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研究人員發表了一種新的光子記憶體計算方法

研究人員發表了一種新的光子記憶體計算方法

2024-10-28 Comments 0 Comment

由電子工程師組成的全球團隊首次開發出一種新的光子記憶體計算方法,使光學計算更接近現實。研究小組成員包括來自匹茲堡大學斯旺森工程學院、加州大學聖塔芭芭拉分校、卡利亞里大學和東京工業大學(現為東京科學研究所)的研究人員。 他們的研究成果於10月23日發表在Nature Photonics雜誌上(”用於光子記憶體計算的具有超高耐用性的整合非互易磁光學元件”)。

記憶體中的光子計算.jpg

該研究小組的光子記憶體計算概念圖。 圖片來源:加州大學柏克萊分校資深藝術家Brian Long 編輯

該技術採用磁光材料,可實現高速、低能耗和耐用的記憶體解決方案,適合與現有運算技術整合。

這項研究是由匹茲堡大學電機與電腦工程助理教授Nathan Youngblood 與前加州大學聖塔芭芭拉分校、現卡利亞里大學助理教授Paulo Pintus 和東京科學研究所副教授Yuya Shoji 共同領導的。

迄今為止,研究人員在開發用於人工智慧處理的光子記憶體方面一直受到限制–在獲得速度等重要屬性的同時,卻犧牲了能源使用等其他屬性。 在這篇文章中,國際團隊展示了一種獨特的解決方案,它解決了目前光記憶體的局限性,即在單一平台中尚未結合非揮發性、多位元儲存、高開關速度、低開關能量和高耐用性。

“我們用於開發這些電池的材料已經問世幾十年了。然而,它們主要用於靜態光學應用,如片上隔離器,而不是高性能光子存儲器的平台,”Youngblood 解釋說。 “這項發現是實現更快、更有效率、更可擴展的光運算架構的關鍵技術,該架構可直接使用CMOS(互補金屬氧化物半導體)電路編程,這意味著它可以整合到當今的電腦技術中。

作者提出了一種基於共振的光子架構,利用磁光材料中的非互易相移來實現光子記憶體計算。

光子處理的典型方法是將快速變化的光學輸入向量與固定光學權重矩陣相乘。 然而,使用傳統方法和材料在晶片上編碼這些權重已被證明具有挑戰性。 透過在矽微環諧振器上使用由異質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,就像短跑運動員在賽道上反向奔跑一樣。

在加州大學聖塔芭芭拉分校領導實驗工作的平圖斯解釋說:”這就好比風對一個短跑運動員吹,同時幫助另一個跑得更快。透過對記憶細胞施加磁場,我們可以根據光在環形諧振器上是順時針還是逆時針流動,以不同的方式控制光速。

該團隊目前正致力於將單一儲存單元擴展到大規模儲存陣列,從而為運算應用提供更多資料支援。 他們在文章中指出,非互易磁光儲存單元提供了一種高效的非揮發性儲存解決方案,可以亞奈秒的程式速度提供無限的讀寫持久性。

東京的Shoji 補充說:”我們還認為,這項技術的未來發展可以利用不同的效應來提高開關效率,使用Ce:YIG 以外的材料和更精確的沉積的新製造技術可以進一步推動非互易光學計算的潛力。

編譯自/ SciTechDaily

DOI:10.1038/s41566-024-01549-1

該計畫的其他研究人員包括:

  • 約翰-鮑爾斯(John E. Bowers),加州大學聖塔芭芭拉分校傑出教師
  • 馬裡奧-杜蒙特,加州大學聖塔芭芭拉分校研究生研究員
  • Duanni Huang,加州大學聖塔芭芭拉分校前研究員
  • 加州大學聖塔芭芭拉分校教師Galan Moody
  • Toshiya Murai,日本國立產業技術綜合研究所研究員
  • Vivswan Shah,匹茲堡大學研究生研究員

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