具可擴充性的光學記憶單元：有望提升處理速度與效率

研究人員研發出一種名為「可程式化光子鎖存器」的新型光學記憶體，它兼具快速與可擴充的特性。此一基礎記憶單元能在光學處理系統中實現臨時資料儲存，運用矽光子學為易失性記憶體提供高速解決方案。

新型整合式光子鎖存器是以置位-復位鎖存器為藍本設計的。置位-復位鎖存器是電子裝置中常用的基本記憶元件，藉由根據輸入在置位（1）和復位（0）狀態之間切換，以儲存單一位元。

來自諾基亞貝爾實驗室的研究作者法爾希德·阿什蒂亞尼表示：「過去數十年間，光通訊與光計算取得了重大進展，但資料儲存主要仍依賴電子記憶體。若能有一種可與光學處理系統，以及通訊或感測等其他光學系統配合使用的快速光學記憶體，將可提升這些系統在能源和吞吐量方面的效率。」

在發表於《光學快報》、題為《可程式化光子鎖存器記憶體》的論文中，研究人員描述了一項概念驗證實驗。在該實驗中，他們利用可程式化矽光子平臺展示了光子鎖存器。光學置位和復位、互補輸出、可擴充性，以及與波分復用（WDM）的相容性等特性，使此方法在打造更快、更高效的光學處理系統方面頗具潛力。

阿什蒂亞尼指出：「像ChatGPT這樣的大型語言模型，依賴大量如乘法和加法等簡單數學運算，透過反覆運算來學習和生成答案。我們的記憶體技術能為此類系統高速儲存和讀取資料，實現更快的運算。儘管商用光學電腦仍是遙遠的目標，但我們的高速光學記憶體技術是邁向此未來的重要一步。」

光學技術在推動通訊系統發展方面發揮了重要作用，從長距離資料傳輸、資料中心連線，到光互連和光計算等新興技術。然而，由於電子記憶體具有可擴充性、體積小巧和成本效益高等優勢，資料儲存仍以電子方式為主。

這為光學處理系統帶來了挑戰，因為將光學資料轉移至電子記憶體再轉回，會增加能源消耗並產生延遲。

儘管在光學記憶領域已有大量研究，但大多數實現方式要依靠龐大、昂貴且耗能的裝置，或需使用特殊材料，而這些材料在商用矽光子製程中通常並不具備，導致成本更高且產率更低。

為克服這些挑戰，研究人員利用矽光子微環調製器，基於光學通用邏輯閘打造出整合式可程式化光子鎖存器。這些裝置可在商用矽光子晶片製造流程中實現。他們將兩個光學通用邏輯閘結合，創造出能儲存光學資料的光學鎖存器。

阿什蒂亞尼表示，新系統的一大關鍵優勢在於其可擴充性。他稱：「由於每個記憶單元都有獨立的輸入光源，因此可以有多個記憶單元獨立運作，不會因光功率損耗傳播而相互影響。此外，這些記憶單元也能與現有的矽光子系統共同設計，可靠製造且產率極高。」

另一項優勢是光子記憶單元的波長選擇性，使其能與波分復用（WDM）無縫配合。這是因為該單元的微環調製器被設計為在特定波長下運作，可在單一記憶單元內實現多位元資料儲存。

此外，它還能實現快速的記憶體響應時間，以皮秒為單位計量，超越了先進數位系統的時鐘速度，支援高速光學資料儲存。

在製作專用晶片前，為驗證此光學記憶方法，研究人員利用可程式化光子平臺，透過實驗和逼真模擬，實現了通用邏輯閘和光學鎖存器。

研究人員在不同輸入情境下對邏輯閘進行了測試。即使存在隨機變化，邏輯閘仍能可靠地產生預期輸出。同樣地，在輸入功率有變化的情況下，鎖存器也能準確執行所有功能，包括置位、復位和保持。

接下來，研究人員希望朝多個研究方向努力，以使新的記憶單元更具實用性。這包括將技術擴充套件至更多記憶單元，以及製造專用的光子記憶晶片。再加上與波分復用（WDM）的相容性，將可提高晶片上的光子記憶密度。此外，他們還希望研發出一種方法，能利用單一製造流程，整合光子記憶電路以及控制所需的電子元件。