La mémoire optique nouvelle génération brise les cinq barrières technologiques majeures

Jusqu’à présent, les chercheurs ont été limités dans le développement de la mémoire photonique pour le traitement de l’intelligence artificielle – gagnant un attribut important comme la vitesse tout en en sacrifiant un autre comme l’utilisation de l’énergie. Dans une étude, une équipe internationale présente une solution unique qui répond aux limites actuelles de la mémoire optique, qui doit encore combiner la non-volatilité, le stockage multi-bits, une vitesse de commutation élevée, une faible énergie de commutation et une grande endurance dans une seule plateforme.

Pour la première fois, un groupe international d’ingénieurs électriciens* a mis au point une nouvelle méthode d’informatique photonique en mémoire qui pourrait faire de l’informatique optique une réalité dans un avenir proche.

Cette recherche est le fruit d’une collaboration coordonnée par Nathan Youngblood, professeur adjoint d’ingénierie électrique et informatique à Pitt, avec Paulo Pintus, qui travaillait auparavant à l’UC Santa Barbara et qui est maintenant professeur adjoint à l’université de Cagliari, en Italie, et Yuya Shoji, professeur associé à l’Institut des sciences de Tokyo, au Japon.

Jusqu’à présent, les chercheurs ont été limités dans le développement de la mémoire photonique pour le traitement de l’intelligence artificielle : ils ont gagné une caractéristique importante comme la vitesse tout en en sacrifiant une autre comme l’utilisation de l’énergie. Dans l’étude, l’équipe internationale présente une solution unique qui répond aux limites actuelles de la mémoire optique, qui doit encore combiner la non-volatilité, le stockage multibits, une vitesse de commutation élevée, une faible énergie de commutation et une grande endurance dans une seule plateforme.

« Les matériaux que nous utilisons pour développer ces cellules sont disponibles depuis des décennies. Cependant, ils ont été principalement utilisés pour des applications optiques statiques, telles que des isolateurs sur puce, plutôt que pour une plate-forme de mémoire photonique à haute performance », a précisé M. Youngblood. « Cette découverte est une technologie clé pour une architecture informatique optique plus rapide, plus efficace et plus évolutive qui peut être directement programmée avec des circuits CMOS (semi-conducteurs complémentaires à l’oxyde de métal), ce qui signifie qu’elle peut être intégrée dans la technologie informatique actuelle. »

« En outre, notre technologie a montré une endurance trois fois supérieure à celle d’autres approches non volatiles, avec 2,4 milliards de cycles de commutation et des vitesses de l’ordre de la nanoseconde. »

Les auteurs proposent une architecture photonique basée sur la résonance qui exploite le déphasage non réciproque des matériaux magnéto-optiques pour mettre en œuvre l’informatique photonique en mémoire.

Une approche classique du traitement photonique consiste à multiplier un vecteur d’entrée optique à évolution rapide par une matrice de poids optiques fixes. Toutefois, le codage de ces poids sur la puce à l’aide de méthodes et de matériaux traditionnels s’est avéré difficile. En utilisant des cellules de mémoire magnéto-optique composées de grenat de fer et d’yttrium substitué au cérium (Ce:YIG) intégré de manière hétérogène sur des micro-anneaux de résonance en silicium, les cellules provoquent la propagation bidirectionnelle de la lumière, comme des sprinters qui courent dans des directions opposées sur une piste.

L’informatique en contrôlant la vitesse de la lumière

« C’est comme si le vent soufflait contre un sprinter tout en aidant l’autre à courir plus vite », explique M. Pintus, qui a dirigé les travaux expérimentaux à l’UC Santa Barbara. « En appliquant un champ magnétique aux cellules de mémoire, nous pouvons contrôler la vitesse de la lumière différemment selon que la lumière circule dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse autour du résonateur en anneau. Cela offre un niveau de contrôle supplémentaire qui n’est pas possible avec les matériaux non magnétiques plus conventionnels ».

L’équipe s’efforce à présent de passer d’une cellule de mémoire unique à un réseau de mémoire à grande échelle capable de prendre en charge un nombre encore plus important de données pour les applications informatiques. Ils notent dans l’article que la cellule de mémoire magnéto-optique non réciproque offre une solution de stockage non volatile efficace qui pourrait fournir une endurance de lecture/écriture illimitée à des vitesses de programmation inférieures à la nanoseconde.

« Nous pensons également que les progrès futurs de cette technologie pourraient utiliser différents effets pour améliorer l’efficacité de la commutation », a ajouté Shoji à Tokyo, « et que de nouvelles techniques de fabrication avec des matériaux autres que le Ce:YIG et un dépôt plus précis peuvent faire progresser le potentiel de l’informatique optique non réciproque ».

* L’équipe comprend des chercheurs de la Swanson School of Engineering de l’université de Pittsburgh, de l’université de Californie – Santa Barbara, de l’université de Cagliari et de l’Institut de technologie de Tokyo (aujourd’hui Institut des sciences de Tokyo). Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature Photonics (« Integrated non-reciprocal magneto-optics with ultra-high endurance for photonic in-memory computing », doi : 10.1038/s41566-024-01549-1).

Légende illustration : une image conceptuelle de l’informatique photonique en mémoire du groupe. Crédit : Brian Long, artiste principal, UCSB

Source : Swanson School of Engineering – Traduction Enerzine.com