В последние годы тактовая частота компьютеров практически не увеличивается. Вместо этого производители делают чипы многоядерными, благодаря чему становится возможным решать разные задачи в отдельных модулях. На самом деле современные технологии позволяют уже сегодня существенно увеличить производительность процессоров. Однако в этом нет никакого смысла, потому что сдерживающим фактором остаётся медленная скорость передачи электронных данных между чипом и памятью.

Чтобы решить эту проблему, необходимо заменить электроны на что-то более быстрое, поэтому исследователи в прямом смысле обратились к свету. Впрочем, использовать вместо электронов фотоны (световые частицы) не так просто. Для этого нужно либо конвертировать их обратно в понятный сегодняшним устройствам электронный сигнал (что снова приведёт к потере скорости), либо полностью менять компьютерную архитектуру для обработки и хранения информации в виде света.

Попытки создания фотонной памяти предпринимались и раньше, но результаты всегда были неопределёнными. Например, такие устройства требовали постоянного питания, в то время как современные жёсткие диски могут долго хранить информацию и без электричества.

Теперь международная команда исследователей из США, Германии и Англии представила первый энергонезависимый блок памяти, основанный исключительно на фотонах.

В своей работе учёные использовали стеклообразный сплав германия, теллура и сурьмы (GST), который применяется в перезаписываемых CD и DVD-дисках. Этот полупроводник под действием электрических или оптических импульсов может переключаться между двумя состояниями – аморфным, как стекло, и кристаллическим, как металл.

«Эти два состояния имеют очень разные физические свойства, – объясняет в пресс-релизе Хариш Бхаскаран (Harish Bhaskaran) из Оксфордского университета. – Это означает, что вы можете кодировать информацию в состоянии материала».

Инженеры поместили крошечные пластинки GST поверх тончайшего проводка из нитрида кремния, который отлично пропускает лазерный импульс. Проходя по нему, фотоны света взаимодействуют с полупроводником и продолжают своё путешествие к противоположному концу.

Мощный импульс лазера может расплавить пластинку, после чего материал переходит в аморфное состояние.

В то же время менее интенсивный «выстрел» разогревает GST до температуры выше точки кристаллизации, но чуть ниже точки плавления — пластинка перейдёт в кристаллическое состояние. Таким образом пластинки кодируют «ноль» и «единицу» классического бинарного кода.

Система также позволяет считать записанную информацию, так как при слабом импульсе часть света проникает в полупроводник. При этом в зависимости от состояния материала пластинки задерживают разное количество фотонов, и учёные научились с высокой точностью измерять эти отличия и определять, в каком состоянии пребывает GST.

Кроме того,

одновременно посылая через нитрид кремния свет с разной длиной волны, они могут одновременно записывать и считывать информацию. Теоретически по одному каналу можно в один момент отправить сотни световых импульсов с различной длиной волны, что открывает впечатляющую перспективу единовременной обработки тысяч бит информации.

Но и это ещё не всё. Авторы работы, опубликованной в издании Nature Photonics, утверждают, что регулируя интенсивность импульса можно изменять состояние только части пластинки, делая её одновременно аморфной и кристаллической в разных пропорциях.

Управляя источником света, можно легко задавать и считывать соотношение этих частей. Это открывает совершено новый мир вычислений, где вместо бинарного кода может быть использовано до десяти и более единиц шифра. Другими словами, в одном бите можно хранить в несколько раз больше информации, чем сегодня.

«Это совершенно новый вид функциональности при использовании существующих проверенных материалов, – говорит Бхаскаран. – Эти оптические биты могут быть записаны с частотой до одного гигагерца и обеспечивают огромную пропускную способность. Это своего рода ультрабыстрое хранение данных, которого так требуют современные вычислительные потребности».

Сейчас команда занята реализацией нескольких проектов, направленных на практическое использование инновационных разработок. В частности учёные работают над новым видом электронно-оптического соединения, которое позволит световой памяти напрямую взаимодействовать с остальными компонентами классической компьютерной системы.