Nuova unità di memoria ottica

I ricercatori hanno svelato un latch fotonico programmabile che accelera l’archiviazione e l’elaborazione dei dati nei sistemi ottici, offrendo un progresso significativo rispetto alla memoria elettronica tradizionale riducendo la latenza e il consumo di energia

I progressi significativi nella fotonica integrata hanno consentito sistemi ad alta velocità ed efficienza energetica per varie applicazioni, dalle comunicazioni di dati e dal calcolo ad alte prestazioni alla diagnosi, al rilevamento e al raggio medico. Tuttavia, l'archiviazione dei dati in questi sistemi è stata dominata da memorie elettroniche che, oltre alla conversione del segnale tra domini ottici ed elettrici, richiede la conversione tra domini analogici a digitali e movimento dei dati elettrici tra processore e memoria che riducono la velocità e l'efficienza energetica.

Ora, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo tipo di memoria ottica chiamata latch fotonico programmabile, veloce e scalabile. Questa unità di memoria fondamentale consente l'archiviazione temporanea dei dati nei sistemi di elaborazione ottica, offrendo una soluzione ad alta velocità per la memoria volatile mediante fotonica al silicio.

Il nuovo latch fotonico integrato è modellato su un latch set-reset, un dispositivo di memoria di base utilizzato nei dispositivi elettronici per memorizzare un singolo bit commutando tra gli stati set (1) e reset (0) in base agli input.

«Mentre le comunicazioni ottiche e l'informatica hanno visto progressi significativi negli ultimi decenni, l'archiviazione dei dati è stata implementata prevalentemente utilizzando la memoria elettronica», ha affermato il dottor Farshid Ashtiani (1), l'autore dello studio di Nokia Bell Labs (2). «Avere una memoria ottica veloce che può essere utilizzata con sistemi di elaborazione ottica, così come altri sistemi ottici utilizzati nelle comunicazioni o nel rilevamento, li renderebbe più efficienti in termini di energia e produttività».

Nella rivista Optics Express (3), i ricercatori descrivono un esperimento di prova in cui hanno dimostrato il bloccaggio fotonico utilizzando una piattaforma fotonica in silicio programmabile. Caratteristiche come il set e il reset ottico, le uscite complementari, la scalabilità e la compatibilità con il multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (wavelength division multiplexing - WDM) rendono questo approccio promettente per sistemi di elaborazione ottica più veloci ed efficienti.

«I modelli linguistici di grandi dimensioni come ChatGPT si basano su enormi quantità di semplici operazioni matematiche, come moltiplicazioni e addizioni, eseguite in modo iterattivo per apprendere e generare risposte», ha affermato il dottor Ashtiani. «La nostra tecnologia di memoria potrebbe archiviare e recuperare dati per tali sistemi ad alta velocità, consentendo operazioni molto più veloci. Anche se un computer ottico commerciale è ancora un obiettivo lontano, la nostra tecnologia di memoria ottica ad alta velocità rappresenta un passo verso questo futuro».

Avanzamento della memoria ottica integrata

Le tecnologie ottiche sono state determinanti nel progresso dei sistemi di comunicazione, dalla trasmissione dati a lungo raggio e dalla connettività dei data center alle tecnologie emergenti come le interconnessioni ottiche e l'informatica. Tuttavia, l'archiviazione dei dati rimane prevalentemente elettronica a causa della sua scalabilità, compattezza ed economicità. Ciò presenta delle sfide per i sistemi di elaborazione ottica perché il trasferimento dei dati ottici alla memoria elettronica, e viceversa, aumenta il consumo di energia e introduce latenza.

Sebbene siano state condotte ampie ricerche nel campo della memoria ottica, la maggior parte delle implementazioni si basa su configurazioni ingombranti, costose e ad alto consumo energetico o su materiali specializzati che in genere non sono offerti nei processi fotonici al silicio disponibili in commercio, il che comporta costi più elevati e rese inferiori.

Per superare queste sfide, i ricercatori hanno creato un latch fotonico programmabile integrato basato su porte logiche ottiche universali utilizzando modulatori micro-anello fotonici al silicio. Questi dispositivi possono essere implementati in processi di fabbricazione di chip fotonici al silicio disponibili in commercio. Hanno combinato due porte logiche ottiche universali per creare un latch ottico in grado di contenere dati ottici.

Creare una memoria scalabile e veloce

Il dottor Ashtiani afferma che uno dei principali vantaggi del nuovo sistema è la sua scalabilità. «Poiché ogni unità di memoria ha una sorgente di luce di ingresso indipendente, è possibile avere diverse unità di memoria che funzionano in modo indipendente senza influenzarsi a vicenda tramite propagazione della perdita di potenza ottica», ha affermato. «Le unità di memoria possono anche essere co-progettate con i sistemi fotonici al silicio esistenti e costruite in modo affidabile e con rese molto elevate».

Un altro vantaggio è la selettività della lunghezza d'onda dell'unità di memoria fotonica, che le consente di funzionare senza problemi con WDM (wavelength division multiplexing). Questo perché i modulatori micro-ring dell'unità sono progettati per funzionare a lunghezze d'onda specifiche, consentendo l'archiviazione di dati multi-bit all'interno di una singola unità di memoria. Inoltre, consente tempi di risposta della memoria rapidi, misurati in decine di picosecondi, superando le velocità di clock dei sistemi digitali avanzati e supportando l'archiviazione di dati ottici ad alta velocità.

Per dimostrare questo approccio alla memoria ottica prima di realizzare chip dedicati, i ricercatori hanno utilizzato una piattaforma fotonica programmabile per implementare le porte logiche universali e il latch ottico attraverso esperimenti e simulazioni realistiche.

I ricercatori hanno testato i gate in diversi scenari di input. Anche in presenza di variazioni casuali, i gate hanno generato in modo affidabile gli output desiderati. Allo stesso modo, il latch ha eseguito tutte le funzioni (set, reset, hold) in modo accurato in presenza di variazioni di potenza in input.

Successivamente, i ricercatori vorrebbero seguire diverse direzioni di ricerca per rendere le nuove unità di memoria più pratiche. Ciò include l'adattamento della tecnologia a un numero maggiore di unità di memoria e la fabbricazione di chip di memoria fotonica dedicati. Questo, combinato con la compatibilità WDM, consentirebbe una maggiore densità di memoria fotonica on-chip. Vorrebbero anche sviluppare un modo per utilizzare un singolo processo di produzione per integrare sia il circuito di memoria fotonica sia l'elettronica necessaria per controllarlo.

Riferimenti:

(1) Farshid Ashtiani

(2) Nokia Bell Labs

(3) Article Cover Programmable photonic latch memory

Descrizione foto: Questo nuovo tipo di unità di memoria ottica, chiamata latch fotonico programmabile, è veloce e scalabile. Potrebbe offrire una soluzione di fotonica al silicio ad alta velocità per la memoria volatile. - Credit: Farshid Ashtiani, Nokia Bell Labs.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New optical memory unit poised to improve processing speed and efficiency