В Технологическом институте Карлсруэ (KIT) при поддержке Вестфальского университета Мюнстера, Оксфордского и Эксетерского университетов создан принципиально новый тип энергонезависимой памяти. Данные в нём хранятся за счёт изменения оптических свойств при фазовом переходе материала. Под воздействием ультракоротких световых импульсов он локально меняет состояние из кристаллического в аморфное и обратно.

Полностью оптическая природа памяти представляет большой интерес для будущих вычислительных систем. Она поможет избавится от существующих “узких мест” в системах связи и прототипов квантовых компьютеров. К примеру, D-Wave пока считается “наполовину квантовым”, поскольку выполняет преобразование электрических сигналов в световые и обратно. При использовании связки квантовый микропроцессор + оптическая память компьютер всегда работает только с фотонами и может считаться истинно квантовым.

Чип оптической памяти (иллюстрация к исследованию: Karlsruhe Institute of Technology).
Чип оптической памяти (иллюстрация к исследованию: Karlsruhe Institute of Technology).

Основой чипа оптической памяти стало халькогенидное соединение GST (Ge2Sb2Te5). Его и другие вещества с фазовой памятью давно используют для создания информационного слоя в оптических дисках. В последние годы им пытаются найти новые применения в полупроводниковой технике. Компания Umicore разрабатывает сразу две технологии энергонезависимой памяти: Ovonic Unified Memory (OUM) и Phase Change Memories (PCM).

Проблема в том, что существующие методики получения GST разработаны для тонкоплёночных структур. Создание объёмного чипа с кристаллической структурой потребовало бы сверхбыстрого охлаждения расплава (менее чем за одну микросекунду). Однако чип с аморфной структурой можно получить и привычными методами осаждения из газовой фазы.

Другая сложность заключается в том, что степень чистоты для практического применения должна быть больше 99,995% (в идеале – 99,997%). Такого показателя сложно достичь, и это всегда затратный процесс очистки. На практике в качестве примесей обычно присутствует кислород и различные металлы. Поэтому число эффективных ячеек памяти оказывается всегда меньше их общего количества.

Раньше GST рассматривали преимущественно как полупроводниковое соединение, а организацию фазовой памяти демонстрировали по разности электрического сопротивления отдельных участков. В новом исследовании анализируются стабильные изменения оптических свойств GST под действием коротких импульсов лазера.

Мощные импульсы вызывают локальный переход из кристаллического состояния в аморфное (процедура записи данных). Повторный импульс достаточной мощности переводит участок чипа из аморфного состояния обратно в кристаллическое (стирание данных). Для считывания достаточно использовать слабые световые импульсы.

Технология позволяет организовать многоуровневую ячейку памяти и хранить в ней длительно сразу несколько бит без затрат энергии на поддержание состояния. «Уже сейчас мы можем записывать данные в оптический чип памяти на частотах до гигагерца и хранить их десятилетия. Чип легко изготовить совместимым как с обычной волоконной оптикой, так и с перспективными процессорами», – отметил профессор Оксфордского университета Хариш Бхаскаран. Подробности исследования опубликованы в журнале Nature Photonics.