Почти идеальная (?)
память
на фотонах.
Научно-исследовательская компания Nokia Bell Labs, специализирующаяся на разработках в области электроники и связи, представила «программируемую фотонную защёлку» — новый тип оптической памяти, которая поддерживает временное хранение данных. Благодаря этому обработка информации в оптических системах ускоряется настолько, что авторы заявляют о значительном превосходстве своего детища над аналогами, построенными на традиционных электронных компонентах.
Роль оптических технологий в развитии систем связи трудно переоценить. Передача данных на большие расстояния, подключения к ЦОД, новые межсетевые технологии соединений и вычислений — всё это вклад оптических систем, но их потенциал раскрыт далеко неполностью. Это связано с тем, что данные по-прежнему хранятся в основном в кремниевой электронике благодаря масштабируемости, компактности и экономичности электронных хранилищ. Поскольку фотоны намного быстрее электронов, такой подход значительно ограничивает не только скорость оптических систем обработки данных, но и создаёт дополнительные задержки на преобразование оптических данных в электронные и обратно, что, в добавок, увеличивает энергопотребление.
Несмотря на обширные исследования в области оптической памяти, большинство реализаций основаны на громоздких, дорогостоящих и энергозатратных установках, нивелирующих практически все достоинства их породившей идеи. Более того, эти разработки, как правило, требуют специализированных материалов, которые чужды доступным кремниевым фотонным технологиям, что ещё более затрудняет сращивание двух технологических направлений в одном устройстве. Это приводит к более высоким затратам и снижению производственной эффективности.
Для решения этих задач учёные разработали свой вариант памяти на фотонах — интегрированную программируемую фотонную защёлку, основанную на оптических универсальных логических элементах и кремниевых фотонных микрокольцевых модуляторах. Обе составляющие могут быть изготовлены с использованием доступных на рынке технологий производства кремниевых фотонных микросхем. Объединив два оптических универсальных логических переключателя, учёные сформировали оптическое хранилище данных — эту самую оптическую защёлку.
Одним из ключевых преимуществ новой системы является её масштабируемость.
«Поскольку каждый блок памяти имеет независимый источник входного света, возможно, чтобы несколько блоков памяти работали независимо, не влияя друг на друга из-за распространения оптических потерь мощности, — рассказывает автор работы Фаршид Аштиани из Nokia Bell Labs. — Блоки памяти также могут быть спроектированы совместно с существующими кремниевыми фотонными системами и изготавливаться надёжно и с очень высокой производительностью».
Если к этому добавить избирательность фотонного модуля памяти к длинам волн, то разработка получается ещё более универсальной, поскольку в таком случае она оказывается способна работать со спектральным уплотнением каналов (WDM) — то есть эта «защёлка» способна реагировать на определённую волну (частоту) в спектре входящего светового сигнала, что увеличивает число потоков (плотность) данных в моменте. Это мультиплексирование обуславливается микрокольцевыми модуляторами — поскольку они работают на заданных длинах волн, то в одном модуле памяти могут храниться даже многобитные данные.
Также модуль обеспечивает быстрое время отклика памяти, измеряемое десятками пикосекунд (триллионных долей секунды), что превышает тактовую частоту передовых цифровых систем и поддерживает высокоскоростное оптическое хранение данных.
В испытаниях были задействованы различные входные сценарии вплоть до небольших сбоев и просадке мощности сигналов. Оказалось, что даже при наличии случайных отклонений логические элементы надёжно генерировали желаемые выходные данные. Аналогичным образом, триггер точно выполнял все функции — установку, сброс, удержание — при наличии колебаний входного напряжения.
Эта невероятная удача для информационных технологий — только первая ласточка. Исследователи сходу выделяют несколько направлений своей будущей работы. Практичность блоков фотонной памяти требует соблюдения множества требований. Прототип, конечно, получился потрясающим, но он и работал в стерильных лабораторных условиях.
Помимо оттачивания процесса производства, предстоит проработать масштабирование технологии для большего количества блоков — вплоть до создания специальных чипов фотонной памяти. Такой «кристалл», в сочетании с мультиплексированием, будет обладать невероятной плотностью данных. Также авторы обдумывают разработку единого производственного процесса для интеграции схемы фотонной памяти и электроники, необходимой для её управления.
Если, а точнее — когда всё это получится, выполнение задач, требующих больших вычислительных мощностей, значительно облегчится. Быстрая, универсальная энергонезависимая фотонная память повлияет на всё: от развития и работы так называемого ИИ, датчиков и других ИТ-приложений, до снижения энергозатрат центров обработки данных.
«Большие языковые модели, такие как ChatGPT, полагаются на огромное количество простых математических операций, таких как умножение и сложение, которые выполняются итеративно [многократно, циклично] для обучения и генерации ответов», — поясняет Аштиани. — Наша технология памяти может хранить и извлекать данные для таких систем на высоких скоростях, обеспечивая гораздо более быструю работу. Хотя коммерческий оптический компьютер всё ещё остаётся далёкой целью, наша технология высокоскоростной оптической памяти — шаг к этому будущему».
По материалам АРМК.