Tecnologia Científica
Um avanço multinível na computação óptica — uma célula de memória mais rápida, mais eficiente e mais robusta
Pela primeira vez, um grupo internacional de engenheiros elétricos desenvolveu um novo método para computação fotônica na memória que pode tornar a computação óptica uma realidade em um futuro próximo.
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Universidade de Pittsburgh - 23/10/2024
Uma imagem conceitual da computação fotônica na memória do grupo. Crédito: Brian Long, Artista Sênior, UCSB
Pela primeira vez, um grupo internacional de engenheiros elétricos desenvolveu um novo método para computação fotônica na memória que pode tornar a computação óptica uma realidade em um futuro próximo.
A equipe inclui pesquisadores da University of Pittsburgh Swanson School of Engineering, da University of California—Santa Barbara, da University of Cagliari e do Tokyo Institute of Technology (agora Institute of Science Tokyo). Seus resultados foram publicados hoje no periódico Nature Photonics intitulado "Integrated non-reciprocal magneto-optics with ultra-high endurance for photonic in-memory computing."
Esta pesquisa foi um esforço colaborativo coordenado em conjunto por Nathan Youngblood, professor assistente de engenharia elétrica e de computação na Pitt, juntamente com Paulo Pintus, anteriormente na UC Santa Barbara e agora professor assistente na Universidade de Cagliari, Itália; e Yuya Shoji, professor associado no Instituto de Ciências de Tóquio, Japão.
Até agora, os pesquisadores têm sido limitados no desenvolvimento de memória fotônica para processamento de IA — ganhando um atributo importante como velocidade enquanto sacrificam outro como uso de energia. No artigo, a equipe internacional demonstra uma solução única que aborda as limitações atuais da memória óptica que ainda precisa combinar não volatilidade, armazenamento multibit, alta velocidade de comutação, baixa energia de comutação e alta resistência em uma única plataforma.
"Os materiais que usamos no desenvolvimento dessas células estão disponíveis há décadas. No entanto, eles têm sido usados principalmente para aplicações ópticas estáticas, como isoladores on-chip, em vez de uma plataforma para memória fotônica de alto desempenho", explicou Youngblood.
"Essa descoberta é uma tecnologia essencial para uma arquitetura de computação óptica mais rápida, mais eficiente e mais escalável, que pode ser programada diretamente com circuitos CMOS (semicondutor de óxido metálico complementar), o que significa que pode ser integrada à tecnologia de computadores atual.
"Além disso, nossa tecnologia mostrou resistência três ordens de magnitude melhor do que outras abordagens não voláteis, com 2,4 bilhões de ciclos de comutação e velocidades de nanossegundos."
Os autores propõem uma arquitetura fotônica baseada em ressonância que aproveita a mudança de fase não recíproca em materiais magneto-ópticos para implementar computação fotônica na memória.
Uma abordagem típica para processamento fotônico é multiplicar um vetor de entrada óptica que muda rapidamente com uma matriz de pesos ópticos fixos. No entanto, codificar esses pesos no chip usando métodos e materiais tradicionais tem se mostrado desafiador.
Ao usar células de memória magneto-ópticas compostas de granada de ferro-ítrio substituída por cério (Ce:YIG) heterogeneamente integradas em ressonadores de microanéis de silício, as células fazem com que a luz se propague bidirecionalmente, como velocistas correndo em direções opostas em uma pista.
Computação controlando a velocidade da luz
"É como se o vento estivesse soprando contra um velocista enquanto ajudava o outro a correr mais rápido", explicou Pintus, que liderou o trabalho experimental na UC Santa Barbara.
"Ao aplicar um campo magnético às células de memória , podemos controlar a velocidade da luz de forma diferente, dependendo se a luz está fluindo no sentido horário ou anti-horário ao redor do ressonador de anel. Isso fornece um nível adicional de controle não possível em materiais não magnéticos mais convencionais."
A equipe agora está trabalhando para escalar de uma única célula de memória para uma matriz de memória de larga escala que pode suportar ainda mais dados para aplicativos de computação. Eles observam no artigo que a célula de memória magneto-óptica não recíproca oferece uma solução de armazenamento não volátil eficiente que pode fornecer resistência ilimitada de leitura/gravação em velocidades de programação de sub-nanosegundos.
"Também acreditamos que avanços futuros dessa tecnologia podem usar efeitos diferentes para melhorar a eficiência de comutação", acrescentou Shoji, de Tóquio, "e que novas técnicas de fabricação com materiais diferentes de Ce:YIG e deposição mais precisa podem aumentar ainda mais o potencial da computação óptica não recíproca".
Mais informações: Paolo Pintus et al, Magneto-óptica não recíproca integrada com ultra-alta resistência para computação fotônica na memória, Nature Photonics (2024). DOI: 10.1038/s41566-024-01549-1
Informações do periódico: Nature Photonics
