Terobosan Kecepatan Cahaya: Awal Komputasi Dalam Memori Fotonik

Para peneliti telah meluncurkan metode komputasi fotonik dalam memori baru yang menjanjikan kemajuan komputasi optik secara signifikan.

Teknologi ini, menggunakan bahan magneto-optik, menghasilkan solusi memori berkecepatan tinggi, hemat energi, dan tahan lama yang cocok untuk diintegrasikan dengan teknologi komputasi yang ada.

Komputasi Dalam Memori Fotonik

Untuk pertama kalinya, tim insinyur kelistrikan global telah mengembangkan metode baru untuk komputasi dalam memori fotonik, menjadikan komputasi optik semakin dekat untuk menjadi kenyataan.

Tim tersebut terdiri dari peneliti dari Fakultas Teknik Universitas Pittsburgh Swanson, Universitas California – Santa Barbara, Universitas Cagliari, dan Institut Teknologi Tokyo (sekarang Institut Sains Tokyo). Hasilnya dipublikasikan pada 23 Oktober di jurnal Fotonik Alam (“Magneto-optik non-timbal balik terintegrasi dengan daya tahan sangat tinggi untuk komputasi dalam memori fotonik.”

Penelitian ini merupakan upaya kolaboratif yang dipimpin oleh Nathan Youngblood, asisten profesor teknik elektro dan komputer di Pitt, bersama dengan Paulo Pintus, mantan UC Santa Barbara dan sekarang asisten profesor di Universitas Cagliari, dan Yuya Shoji, profesor di Pitt. Institut Sains Tokyo.

Mengatasi Keterbatasan Memori Optik

Hingga saat ini, para peneliti masih terbatas dalam mengembangkan memori fotonik untuk pemrosesan AI – memperoleh satu atribut penting seperti kecepatan namun mengorbankan atribut lain seperti penggunaan energi. Dalam artikel tersebut, tim internasional mendemonstrasikan solusi unik yang mengatasi keterbatasan memori optik saat ini yang belum menggabungkan non-volatilitas, penyimpanan multibit, kecepatan peralihan tinggi, energi peralihan rendah, dan daya tahan tinggi dalam satu platform.

“Bahan yang kami gunakan dalam mengembangkan sel-sel ini telah tersedia selama beberapa dekade. Namun, mereka terutama digunakan untuk aplikasi optik statis, seperti isolator on-chip daripada platform untuk memori fotonik berkinerja tinggi,” jelas Youngblood. “Penemuan ini merupakan teknologi kunci yang memungkinkan menuju arsitektur komputasi optik yang lebih cepat, lebih efisien, dan lebih terukur yang dapat diprogram secara langsung dengan sirkuit CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) – yang berarti dapat diintegrasikan ke dalam teknologi komputer masa kini.

“Selain itu, teknologi kami menunjukkan daya tahan tiga kali lipat lebih baik dibandingkan pendekatan non-volatile lainnya, dengan 2,4 miliar siklus peralihan dan kecepatan nanodetik.”

Memperkenalkan Arsitektur Berbasis Resonansi

Para penulis mengusulkan arsitektur fotonik berbasis resonansi yang memanfaatkan pergeseran fase non-timbal balik dalam bahan magneto-optik untuk mengimplementasikan komputasi dalam memori fotonik.

Pendekatan khas untuk pemrosesan fotonik adalah mengalikan vektor masukan optik yang berubah dengan cepat dengan matriks bobot optik tetap. Namun, pengkodean bobot ini pada chip menggunakan metode dan bahan tradisional terbukti menantang. Dengan menggunakan sel memori magneto-optik yang terdiri dari garnet besi yttrium tersubstitusi cerium (Ce:YIG) yang terintegrasi secara heterogen pada resonator cincin mikro silikon, sel-sel tersebut menyebabkan cahaya merambat secara dua arah, seperti pelari yang berlari berlawanan arah di lintasan.

Menghitung dengan Mengontrol Kecepatan Cahaya

“Ini seperti angin bertiup melawan satu pelari sambil membantu pelari lainnya berlari lebih cepat,” jelas Pintus, yang memimpin penelitian eksperimental di UC Santa Barbara. “Dengan menerapkan medan magnet ke sel memori, kita dapat mengontrol kecepatan cahaya secara berbeda tergantung pada apakah cahaya mengalir searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam di sekitar cincin resonator. Hal ini memberikan tingkat kontrol tambahan yang tidak mungkin dilakukan pada material non-magnetik konvensional.”

Prospek dan Penskalaan Masa Depan

Tim tersebut kini berupaya untuk meningkatkan skala dari satu sel memori ke rangkaian memori berskala besar yang dapat mendukung lebih banyak data untuk aplikasi komputasi. Mereka mencatat dalam artikel tersebut bahwa sel memori magneto-optik non-resiprokal menawarkan solusi penyimpanan non-volatil yang efisien yang dapat memberikan ketahanan baca/tulis tanpa batas pada kecepatan pemrograman sub-nanodetik.

“Kami juga percaya bahwa kemajuan teknologi ini di masa depan dapat menggunakan efek yang berbeda untuk meningkatkan efisiensi peralihan,” Shoji di Tokyo menambahkan, “dan bahwa teknik fabrikasi baru dengan bahan selain Ce:YIG dan deposisi yang lebih tepat dapat semakin meningkatkan potensi non- -komputasi optik timbal balik.”

Referensi: “Magneto-optik non-timbal balik terintegrasi dengan daya tahan sangat tinggi untuk komputasi dalam memori fotonik” oleh Paolo Pintus, Mario Dumont, Vivswan Shah, Toshiya Murai, Yuya Shoji, Duanni Huang, Galan Moody, John E. Bowers dan Nathan Darah muda, 23 Oktober 2024, Fotonik Alam.
DOI: 10.1038/s41566-024-01549-1

Peneliti lain dalam proyek ini meliputi:

• John E. Bowers, pengajar terkemuka di Universitas California di Santa Barbara
• Mario Dumont, peneliti mahasiswa pascasarjana di University of California di Santa Barbara
• Duanni Huang, mantan peneliti di Universitas California di Santa Barbara
• Galan Moody, fakultas di Universitas California di Santa Barbara
• Toshiya Murai, peneliti di National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Jepang
• Vivswan Shah, peneliti mahasiswa pascasarjana di Universitas Pittsburgh

NY mengakui dukungan dari National Science Foundation berdasarkan hibah no. ECCS-2210168/2210169 dan CISE-2105972. NY mengakui dukungan dari University of Pittsburgh Center for Research Computing (hibah no. RRID:SCR_022735) melalui sumber daya yang disediakan. Secara khusus, pekerjaan ini menggunakan cluster H2P, yang didukung oleh penghargaan NSF no. OAC-2117681.

PP, GM, dan JEB berterima kasih atas dukungan dari Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara berdasarkan penghargaan no. FA9550-21-1-0042 dan FA9550-20-1-0150. PP juga berterima kasih atas dukungan Daerah Otonomi Sardinia melalui program 'Mobilità Giovani Ricercatori (MGR)' dari Universitas Cagliari; Kementerian Universitas dan Penelitian Italia melalui proyek PRIN PNRR 2022 'Komputasi Terintegrasi Magneto-optik (MAGIC)' (nomor hibah. CUP F53D23008340001); dan Fondazione di Sardegna melalui proyek 'Investigasi Bahan dan Perangkat Magneto-Optik Baru untuk Sirkuit Terpadu Fotonik Silikon' (no hibah. CUP F73C23001820007). Pendapat, temuan, kesimpulan, atau rekomendasi apa pun yang diungkapkan dalam materi ini adalah milik penulis dan tidak mencerminkan pandangan Angkatan Udara AS.