Forskare har visat en ny teknik som kan lagra mer optisk data på ett mindre utrymme än vad som tidigare var möjligt på chipet. Denna teknik förbättrar den optiska minnescellen för fasförändring, som använder ljus för att skriva och läsa data, och kunde erbjuda en snabbare, mer energieffektiv form av minne för datorer.

I Optica , The Optical Societys tidskrift för forskning med hög effekt, forskare från universiteten i Oxford, Exeter och Münster beskriver sin nya teknik för helt optisk datalagring, vilket skulle kunna bidra till att möta det växande behovet av mer datalagring.

Istället för att använda elektriska signaler för att lagra data i ett av två tillstånd – en noll eller en – som dagens datorer, den optiska minnescellen använder ljus för att lagra information. Forskarna visade optiskt minne med mer än 32 tillstånd, eller nivåer, motsvarande 5 bitar. Detta är ett viktigt steg mot en helt optisk dator, ett långsiktigt mål för många forskargrupper inom detta område.

"Optiska fibrer ger ljuskodad data till våra hem och kontor, men den informationen omvandlas till elektroniska signaler en gång inuti datorer, " sa forskargruppsledaren Harish Bhaskaran från Oxford. "Genom att föra hastigheten för ljusbaserad dataöverföring till kretskorten som kör datorer, vårt helt optiska minne kan möjliggöra ett hybriddatorchip som interagerar med data både optiskt och elektriskt."

Det nya verket är en del av ett stort projekt som heter Fun-COMP, för funktionellt skalad datorteknik, som sammanför akademiska och industriella partners för att utveckla banbrytande hårdvaruteknik.

Att skriva data med ljus

Den optiska minnescellen använder ljus för att koda information i ett fasförändringsmaterial, en klass av material som används för att göra omskrivbara CD- och DVD-skivor. En laser värmer delar av ett fasförändringsmaterial, vilket gör att den växlar mellan tillstånd där alla atomer är ordnade eller oordnade. Eftersom dessa två tillstånd uppvisar olika optiska brytningsindex, data kan läsas med hjälp av ljus.

Fasförändringsmaterial kan lagra data under lång tid eftersom de förblir i det oordnade eller ordnade tillståndet tills de belyses igen med den specifika typen av laserljus som ursprungligen användes för att skriva data. Genom att blanda olika förhållanden av ordnade och oordnade tillstånd i ett område av materialet kan information lagras i ett kontinuum av nivåer istället för bara en nolla och en etta som i traditionellt elektroniskt minne.

"Även om vårt team tidigare har använt denna metod för optiskt minne, vi har nu kunnat pressa upplösningsgränserna för denna minnescell genom att lagra ett större antal mellanliggande tillstånd mellan noll och ett, sa Nathan Youngblood, en medlem av forskargruppen. "Detta gjorde det möjligt för oss att lagra information i 34 nivåer, medan endast 10 kunde uppnås tidigare."

Forskarna åstadkom den ökade upplösningen genom att använda en ny teknik som de utvecklade som använder laserljus med en enkel, dubbelstegspuls – två pulser sammansatta till en rektangulär puls – för att exakt kontrollera smältningen och kristalliseringen av materialet.

"Istället för att värma upp materialet med en enda laserpuls, vi formar pulsen på ett sätt som gör att vi kan kontrollera materialets temperatur över tid, sa Xuan Li, tidningens första författare. "Detta ger möjligheten att justera hur materialet interagerar med ljus och tillståndet det kommer att nå efter uppvärmning. Det påskyndar också skrivprocessen avsevärt eftersom vi kan ändra materialets tillstånd med bara en laserpuls istället för hundratals eller tusentals pulser krävdes tidigare."

Minneslagring på flera nivåer

I tidningen, forskarna visade att de kunde använda sin metod för att tillförlitligt koda data på 34 nivåer, vilket är mer än de 32 nivåer som krävs för att uppnå 5-bitars programmering. "Denna prestation krävde att förstå interaktionen mellan ljuset och materialet perfekt och sedan skicka exakt rätt sorts laserpuls som krävs för att uppnå varje nivå, " sa Bhaskaran. "Vi löste ett utomordentligt svårt problem."

Den nya tekniken kan hjälpa till att övervinna en av flaskhalsarna som begränsar hastigheten på dagens datorer:länken mellan processorn och minnet. "Mycket arbete har lagts ner på att förbättra kommunikationen mellan dessa två enheter med hjälp av fiberoptik, " sade Bhaskaran. "Men, Att länka dessa två enheter optiskt kräver fortfarande dyra elektrooptiska omvandlingar i båda ändar. Vår minnescell skulle kunna användas i en hybrid optisk-elektrisk uppställning för att eliminera behovet av den konverteringen på minnessidan genom att tillåta data att lagras och hämtas optiskt."

Därefter vill forskarna integrera flera minnesceller och programmera dem individuellt, som skulle krävas för att göra ett arbetsminneschip för en dator. Forskargrupperna har arbetat nära Oxford University Innovation, universitetets innovationsarm, att utveckla kommersiella möjligheter till följd av deras forskning om fotoniska minnesceller. Forskarna säger att de redan kan replikera enheterna extremt bra men kommer att behöva utveckla ljussignalbehandlingstekniker för att integrera flera optiska minnesceller.