Go to Top

Nieuw en supersnel: data opslaan op een fotonische chip

Data opslaan op fotonische chip

’s Werelds eerste geheugenchip die helemaal op licht werkt en gegevens permanent kan opslaan, de fotonische chip, werd ontwikkeld door materiaalkundigen aan de Universiteit van Oxford in samenwerking met wetenschappers in Exeter, Karlsruhe en Münster. De fotonische chip is gemaakt van materialen die ook worden gebruikt in herschrijfbare cd’s en dvd’s en kan de gegevensoverdracht binnen moderne computers drastisch versnellen.

Wat kan een fotonische chip wat een elektronische niet kan?

De computer van nu wordt vertraagd door de naar verhouding langzame gegevensoverdracht tussen de processor en het geheugen. ’Het is zinloos snellere processors in te bouwen als er een rem zit op de gegevensoverdracht van en naar het geheugen, de zogenoemde Von Neumann-flessenhals’, zegt professor Harish Bhaskaran die het onderzoek leidde. ‘Wij denken dat licht de dataoverdracht aanzienlijk kan versnellen.’

Het probleem te lijf

Het simpelweg overbruggen van de flessenhals door het inzetten van fotonen is echter niet effectief omdat de data eerst naar optische signalen moeten worden omgezet en na de overdracht naar elektronische signalen. Om de overdrachtssnelheid op te voeren moeten ook de processor en het geheugen met licht gaan werken. Onderzoekers hebben meermalen geprobeerd zo’n fotonisch geheugen te ontwikkelen, maar de opgeslagen gegevens waren steeds vluchtig, waardoor er stroom nodig was de data te bewaren. Een harde schijf moet echter in staat zijn gegevens permanent op te slaan, met of zonder voeding.

Een internationaal team van onderzoekers, waaronder materiaalkundigen van de Universiteit van Oxford, heeft nu ’s werelds eerste fotonische niet-vluchtige geheugenchip geproduceerd. De nieuwe chip maakt gebruik van het fase-overgangsmateriaal Ge2Sb2Te5 (GST) dat ook voor herschrijfbare cd’s en dvd’s gebruikt wordt. Dit materiaal kan een amorfe structuur (zoals glas) of een kristallijne structuur (zoals metaal) aannemen, of er nu elektronische of optische signalen worden gebruikt. Dankzij deze techniek wordt het mogelijk data op te slaan met behulp van een fotonicachip.

Hoe werkt een fotonische chip?

De nieuwe geheugenchips worden van een golfpijp voorzien om licht te kanaliseren en bovenop de golfpijp wordt een nanofilm van GST geplaatst. Geconcentreerde lichtsignalen die worden getransporteerd door de golfpijp veranderen de structuur van het materiaal GST. Een intens licht laat het materiaal meteen smelten en snel afkoelen, waarbij een amorfe structuur wordt aangenomen; een iets minder intens licht transformeert het materiaal in een kristallijne structuur. De twee fases resulteren later, wanneer een veel minder intens licht door de golfpijp wordt uitgezonden, in de informatie van een 1 of 0 (de hoeveelheid licht die wordt opgenomen door de GST-film is afhankelijk van de fase). ‘Dit is het eerste echte niet-vluchtige optische geheugen’, legt Carlos Ríos, promovendus aan de Universiteit van Oxford, uit. ‘En we zijn zelfs in staat geweest ons doel te bereiken met materialen die al bekendstonden om hun langetermijnopslag van gegevens.’

Door het gelijktijdig uitzenden van licht op verschillende golflengtes laten de onderzoekers zien één signaal te kunnen gebruiken voor zowel het lezen als schrijven van data. ’Theoretisch betekent dit dat we duizenden bits tegelijk kunnen lezen en schrijven, wat een bijna onbeperkte bandbreedte zou betekenen’, verklaart professor Wolfram Pernice van de Universiteit van Münster.

Voorbij nullen en enen

De onderzoekers hebben ontdekt dat verschillende intensiteiten van lichtsignalen verschillende samenstellingen van amorfe en kristallijne structuren binnen het materiaal GST creëren. Wanneer zwakke signalen door de golfpijp uitgezonden werden om de geheugeninhoud te lezen werden kleine verschillen in de lichtabsorptie waargenomen, bij weinig absorptie ging het om een amorf deel en bij veel absorptie om een kristallijn deel van het GST-materiaal. Door het uitzenden van variërende lichtsterktes voor het data schrijven konden ze beïnvloeden hoeveel van een GST-stukje amorf werd en hoeveel kristallijn werd. Zo konden ze acht verschillende samenstellingen creëren – van geheel kristallijn tot geheel amorf – waarin ze data konden opslaan. Dankzij dit multifase-vermogen kunnen geheugendragers meer dan de gebruikelijke binaire variabelen 0 en 1 gebruiken; één bit kan meerdere fases opslaan of zelfs eigen berekeningen maken en zo de processor ontlasten.

’Dit is een geheel nieuwe functionaliteit van beproefde materialen’, vertelt professor Bhaskaran. ’Deze optische bits kunnen op frequenties van tot wel 1 GHz werken en maken daarom gigantische bandbreedtes mogelijk. Dit is nou precies het soort supersnelle dataopslag dat we in het moderne computertijdperk nodig hebben.’

De ontbrekende schakel

In de tussentijd werken de onderzoekers aan projecten voor de toepassing van de nieuwe technologie. Ze concentreren zich vooral op de ontwikkeling van een nieuwe elektro-optische schakel waarmee de geheugenchips rechtstreeks in verbinding staan met andere onderdelen, via licht in plaats van elektronische signalen.

Picture copyright: Hans /pixabay.com/ CC0 license