Los investigadores han desarrollado un nuevo tipo de memoria óptica llamada pestillo fotónico programable que es rápido y escalable. Esta unidad de memoria central permite el almacenamiento temporal de datos en sistemas de procesamiento óptico, ofreciendo una solución de alta velocidad para memoria no volátil que utiliza fotónica de silicio.
El nuevo pestillo fotónico integrado sigue el modelo del pestillo set-reset, un dispositivo de memoria básico utilizado en dispositivos electrónicos para almacenar un solo bit al cambiar entre los estados set (1) y reset (0).
“Si bien las comunicaciones ópticas y la informática han experimentado avances significativos en las últimas décadas, el almacenamiento de datos se ha implementado principalmente mediante memoria electrónica”, dijo el autor del estudio Farshid Ashtiani de Nokia Bell Labs. “Tener una memoria óptica rápida que pueda usarse con sistemas de procesamiento óptico, así como con otros sistemas ópticos utilizados en comunicaciones o sensores, los hará más eficientes en términos de energía y rendimiento”.
En Revista del Grupo Editorial Óptica Óptica Expresslos investigadores describen un experimento de prueba de concepto en el que demostraron un pestillo fotónico utilizando una plataforma fotónica de silicio programable. Características como configuración y reinicio ópticos, salidas complementarias, escalabilidad y compatibilidad con multiplexación por división de longitud de onda (WDM) hacen que este enfoque sea prometedor para sistemas de procesamiento óptico más rápidos y eficientes.
“Los grandes modelos de lenguaje como ChatGPT dependen en gran medida de operaciones matemáticas simples, como la multiplicación y la suma, realizadas de forma iterativa para aprender y generar respuestas”, dijo Ashtiani. “Nuestra tecnología de memoria puede almacenar y recuperar datos a alta velocidad para dichos sistemas, lo que permite operaciones muy rápidas. Aunque una computadora óptica comercial todavía es un objetivo lejano, nuestra tecnología de memoria óptica de alta velocidad es un paso hacia ese futuro”.
Avanzando en la memoria óptica integrada
Las tecnologías ópticas han sido fundamentales para el avance de los sistemas de comunicación, desde la transmisión de datos a larga distancia y la conectividad de los centros de datos hasta tecnologías emergentes como las interconexiones ópticas y la informática. Sin embargo, el almacenamiento de datos sigue siendo principalmente electrónico debido a su escalabilidad, compacidad y rentabilidad. Esto presenta desafíos para los sistemas de procesamiento óptico porque la transferencia de datos ópticos a la memoria electrónica (y viceversa) aumenta el consumo de energía e introduce latencia.
Aunque se han realizado extensas investigaciones en el campo de la memoria óptica, la mayoría de las implementaciones se basan en configuraciones voluminosas, costosas y que consumen mucha energía o en materiales especiales que no se ofrecen comúnmente en los procesos fotónicos de silicio disponibles comercialmente. Esto genera mayores costos y menor productividad.
Para superar estos desafíos, los investigadores construyeron un pestillo fotónico programable integrado basado en puertas lógicas ópticas universales utilizando moduladores de microanillos fotónicos de silicio. Estos dispositivos se pueden implementar en el proceso de fabricación de chips fotónicos de silicio disponibles comercialmente. Combinaron dos puertas lógicas universales ópticas para crear un pestillo óptico que puede contener datos ópticos.
Creando memoria que sea escalable y rápida.
Una ventaja clave del nuevo sistema es su escalabilidad, afirma Ashtiani. “Dado que cada unidad de memoria tiene una fuente de luz de entrada independiente, es posible que varias unidades de memoria funcionen de forma independiente sin afectarse entre sí mediante la propagación de la pérdida de potencia óptica”. “Las unidades de memoria pueden diseñarse junto con los sistemas fotónicos de silicio existentes y fabricarse de forma fiable y con rendimientos muy altos”.
Otra ventaja es la selectividad de longitud de onda de la unidad de memoria fotónica, que le permite funcionar perfectamente con WDM. Esto se debe a que los moduladores de microanillos de la unidad están diseñados para funcionar en longitudes de onda específicas, lo que permite el almacenamiento de datos de varios bits dentro de una única unidad de memoria. Además, permite tiempos de respuesta de memoria rápidos, medidos en decenas de picosegundos, superando las velocidades de reloj de los sistemas digitales modernos y admitiendo almacenamiento óptico de datos de alta velocidad.
Para demostrar este enfoque de la memoria óptica antes de construir chips dedicados, los investigadores utilizaron una plataforma fotónica programable para implementar puertas lógicas universales y pestillos ópticos mediante experimentos y simulaciones realistas.
Los investigadores probaron las puertas en varios escenarios de entrada. Incluso en presencia de variación aleatoria, las puertas produjeron de manera confiable los resultados deseados. De manera similar, el pestillo también realizó todas las funciones (configurar, restablecer, mantener) correctamente en presencia de variaciones de energía de entrada.
Después de eso, los investigadores querrán seguir varias direcciones de investigación para hacer que las nuevas unidades de memoria sean más prácticas. Esto incluye extender la tecnología a una mayor cantidad de unidades de memoria y crear chips de memoria fotónica dedicados. Esto, combinado con la compatibilidad WDM, permitirá una alta densidad de memoria fotónica en el chip. También les gustaría desarrollar una forma de utilizar el mismo proceso de fabricación para integrar tanto el circuito de memoria fotónica como la electrónica necesaria para controlarlo.
