עידן חדש בתחום המחשוב מתגלה כאשר חוקרים מתגברים על מגבלות חוק מור באמצעות פוטוניקה.
גישה חדשנית זו מגבירה את מהירויות העיבוד ומצמצמת את השימוש באנרגיה, ועלולה לחולל מהפכה בבינה מלאכותיתלמידת מכונהיישומים.
פוטוניקה: מחליף משחק פוטנציאלי
במשך עשרות שנים, מעגלי מחשבים וסמארטפונים הפכו בהתמדה לקטנים וחזקים יותר, בעקבות המגמה המכונה חוק מור. עם זאת, עידן זה של התקדמות עקבית מתקרב לסופו עקב מגבלות פיזיות, כגון המספר המרבי של טרנזיסטורים שיכולים להתאים לשבב והחום שנוצר על ידי רכיבים צפופים. כתוצאה מכך, קצב שיפורי הביצועים מואט, גם כשהביקוש לכוח חישוב ממשיך לגדול עם טכנולוגיות עתירות נתונים כמובינה מלאכותיתולמידת מכונה.
כדי להתגבר על אתגרים אלו, נדרשים פתרונות חדשניים. גישה מבטיחה אחת טמונה בפוטוניקה, המשתמשת באור במקום בחשמל לעיבוד מידע. פוטוניקה מציעה יתרונות משמעותיים, לרבות צריכת אנרגיה נמוכה יותר והעברת נתונים מהירה יותר עם חביון מופחת.
אחת הגישות המבטיחות ביותר היא מחשוב בתוך הזיכרון, הדורש שימוש בזיכרונות פוטוניים. העברת אותות אור דרך זיכרונות אלו מאפשרת לבצע פעולות כמעט באופן מיידי. אבל פתרונות שהוצעו ליצירת זיכרונות כאלה התמודדו עם אתגרים כמו מהירויות מיתוג נמוכות ויכולת תכנות מוגבלת.
פריצת דרך בטכנולוגיות פוטוניות
כעת, צוות בינלאומי של חוקרים פיתח פלטפורמה פוטונית פורצת דרך כדי להתגבר על המגבלות הללו. הממצאים שלהם פורסמו בכתב העתטבע פוטוניקה.
בעבודה עם פרופסור להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת UC סנטה ברברה (ECE) ג'ון באוורס ופרופסור חבר ב-ECE גלן מודי, מדען הפרויקט פאולו פינטוס, עוזר פרופסור באוניברסיטת קליארי, ריכז את הפרויקט עם נתן יאנגבלאד באוניברסיטת פיטסבורג, המכון למדע. פרופסור טוקיו יויה שוג'י, ומריו דומונט, שקיבל את הדוקטורט שלו. במעבדת באוורס.
זיכרונות פוטוניים יעילים במהירות גבוהה
החוקרים השתמשו בחומר מגנטו-אופטי, נופך ברזל איטריום (Cerium-substituted), שתכונותיו האופטיות משתנות באופן דינמי בתגובה לשדות מגנטיים חיצוניים. על ידי שימוש במגנטים זעירים כדי לאחסן נתונים ולשלוט בהתפשטות האור בתוך החומר, הם היו חלוצים במעמד חדש של זיכרונות מגנטו-אופטיים. הפלטפורמה החדשנית ממנפת את האור לביצוע חישובים במהירויות גבוהות משמעותית וביעילות הרבה יותר ממה שניתן להשיג באמצעות אלקטרוניקה מסורתית.
לסוג חדש זה של זיכרון מהירויות מיתוג גבוהות פי 100 מאלו של טכנולוגיה משולבת פוטונית חדישה. הם צורכים כעשירית מהכוח, וניתן לתכנת אותם מחדש מספר פעמים לביצוע משימות שונות. בעוד שלזכרונות אופטיים מתקדמים יש תוחלת חיים מוגבלת וניתן לכתוב אותם עד 1,000 פעמים, הצוות הוכיח שניתן לשכתב זיכרונות מגנטו-אופטיים יותר מ-2.3 מיליארד פעמים, השווה לתוחלת חיים שעלולה להיות בלתי מוגבלת.
מהפכה במחשוב עם אור
"החומרים המגנטו-אופטיים הייחודיים הללו מאפשרים להשתמש בשדה מגנטי חיצוני כדי לשלוט על התפשטות האור דרכם", אמר פינטוס. "בפרויקט זה, אנו משתמשים בזרם חשמלי כדי לתכנת מיקרו-מגנטים ולאחסן נתונים. המגנטים שולטים בהתפשטות האור בתוך החומר Ce:YIG, ומאפשרים לנו לבצע פעולות מורכבות, כמו כפל מטריצה-וקטור, שנמצא בליבת כל רשת עצבית".
המחברים מאמינים כי הממצאים עשויים לסמן את תחילתה של מהפכה בתחום המחשוב האופטי, ולסלול את הדרך ליישומים מעשיים בעתיד הקרוב.
התייחסות: "מגנטו-אופטיקה לא הדדית משולבת עם סיבולת גבוהה במיוחד עבור מחשוב פוטוני בזיכרון" מאת פאולו פינטוס, מריו דומונט, ויווסואן שאה, טושיה מוראי, יויה שוג'י, דואני הואנג, גלן מודי, ג'ון אי. באוורס ונתן. Youngblood, 23 באוקטובר 2024,טבע פוטוניקה.
DOI: 10.1038/s41566-024-01549-1