Optik hesaplamada hâlâ eksik olan şey sorulduğunda cevap çoğu zaman hız değildir. Işık matrisleri şaşırtıcı bir tempoda çarpar; yapamadığı şey sonucu saklamaktır. Ağırlıklar elektronikten alınmalı, dönüştürülmeli, yeniden yazılmalı ve güç kesildiğinde de korunmalıdır. Her dönüşüm, optik aşamanın az önce kazandırdığı gecikmeyi ve enerjiyi geri yer.
İşte fotonik memristor burada devreye girer: optik durumu yazılabilen, okunabilen ve elektrik olmadan korunabilen bir eleman. Alanda faz değiştiren malzemeler, manyeto-optik ortamlar, ferroelektrik filmler, yük tuzağı katmanları gibi pek çok aday üretildi; ama neredeyse hepsinin ortak bir sorunu var: bir dalga kılavuzu platformunun üzerine ayrıca eklenmeleri gerekiyor.
Eklemek demek bir büyütme adımı, bir bağlama veya aktarma adımı ve bir arayüz daha demek. Her arayüz kaybı artırır, verimi düşürür ve uzun vadeli kaymayı öngörülemez kılar. Daha da can sıkıcısı, bu süreçlerin çoğu standart CMOS hattına uymaz; laboratuvarda kusursuz çalışan eleman laboratuvar elemanı olarak kalır. Darboğaz fizikten çok süreç uyumluluğundadır.
İnce film lityum niyobat, kısaca TFLN, tam ters uçta durur: yüksek elektro-optik katsayı, geniş şeffaflık penceresi, düşük yayılma kaybı, CMOS uyumlu voltajlarda çalışan modülatörler ve levha ölçeğinde oturmuş üretim. Eksik olan tek şey kendiliğinden uçucu olmayan optik bellek. Platform mükemmel; yalnızca unutuyor.
Ekip hiçbir şey eklememeyi seçti. 900 nm kalınlığındaki z-kesim TFLN mikrohalkasına 500 keV oksijen iyonlarını, kanal etkisini bastırmak için yüzey normalinden 7° eğimle, cm² başına 8×10¹³ dozunda yerleştirdi. Doz dar bir aralığa ayarlandı: değişim yeterli olsun, telekom C bandındaki soğurma artmasın. Sonradan ölçüldüğünde Q faktörü yalnızca 9,47×10⁵'ten 9,01×10⁵'e, yayılma kaybı 0,408'ten 0,455 dB/cm'e çıktı.
Bütün hüner mekânsal ayrımda. Derinlik çözünürlüklü X-ışını fotoelektron spektroskopisi 400 nm'ye kadar yalnızca 530,3 eV'deki örgü oksijen pikini gösteriyor; 531,9 eV'deki katkı oksijeni piki ancak 500 nm'nin altında beliriyor. Niyobyum spektrumları ise tüm derinlik boyunca hem Nb⁵⁺ hem Nb⁴⁺ içeriyor; ikincisi yer değiştirme kusurlarından geliyor. Kusurlar üstte, katkılar altta, birbirinden ayrı. Raman ayrıca 585 cm⁻¹ modunun yerinin oynamadığını, kristal iskeletin sağlam kaldığını doğruluyor.
İki dalga boyu işi paylaşıyor. 450 nm'lik bir darbe katkı bölgelerinden elektron koparıp boşluk bırakıyor; elektronlar niyobyumla ilgili kusurlara yakalanıyor, yük ayrımı bir iç alan kuruyor ve bu alan, lityum niyobatın kendi elektro-optik etkisiyle kırılma indisisini değiştiriyor. Rezonans yaklaşık 0,155 nm kırmızıya kayıp orada kalıyor. 1064 nm ışıkta taşıyıcılar yeniden birleşiyor, iç alan sönüyor ve rezonans yaklaşık −0,162 nm maviye dönüyor. Etkin indis değişimi ±2,4×10⁻⁴ dolayında.
Femtosaniye geçici soğurma mekanizmayı daha da inceltiyor: 0,19 ps'de 2,54, 1,59 ve 1,14 eV'de üç bant beliriyor; bunlar boşluk, bağlı ve serbest polaronlara karşılık geliyor. Hızlı yeniden birleşme kanalı yaklaşık 100 fs'de kapanıyor, yavaş kanal uzun bir platoya yerleşiyor ve uçucu olmayan belleği işte bu plato taşıyor. Yazarlara göre hız sınırını optik darbe değil, örgüdeki polaronların oluşumu ve sönümü belirliyor; yani hâlâ hızlanacak yer var.
Kontrol deneyi hayranlık uyandıracak kadar sade. Yerleştirme yapılmamış bir TFLN mikrohalkası aynı aydınlatmada hiçbir memristif anahtarlama göstermiyor. Bu tek karşılaştırma, işlevin gerçekten yerleştirmeden doğduğunu sıradan ısıl kaymadan ayırıyor ve tartışmanın büyük bölümünü baştan kapatıyor.
Başarım somut sayılara iniyor: ayırt edilebilir sekiz uçucu olmayan durum, yani 3 bit; 20 µs darbelerle kararlı yazma, 800 ns düzeyine kadar yanıt; durum başına 100 yaz-sil döngüsünde R² = %99,1 ve %99,2 doğrusallık; ve tek yonga üzerinde programlama ile silme davranışı her yerde tutarlı olan 10×28 dizisi.
Makalede 74 fJ ve 525 fJ olmak üzere iki anahtarlama enerjisi yan yana duruyor ve farkı anlamak gerekiyor. Küçük olan komşu düzeyler arasında 2× ayırt etme ölçütü kullanıyor; büyük olan temkinli 5× payla, en az %1,5 aralıkla hesaplanıyor. Sistem kuran tarafın aklında tutması gereken 525 fJ. Bir bellek elemanı en gevşek ölçütte ne kadar az enerji harcadığıyla değil, gerçek üretim gürültüsü içinde sekiz durumu hâlâ ayırıp ayıramadığıyla değerlendirilir.
Kalıcılık da dışarıdan bir itiraz aldı. 100 saatlik eğriden on yıla dış değer çıkarmak hakemlerin takılacağı bir nokta; ekip bu yüzden beş hafta arayla aralıklı yeniden ölçümler ve 55 °C ile 85 °C'de, yani lazerin yanına konumlanacağı koşula yakın sıcaklıklarda ek doğrulamalar koydu. Durumlar yine 100 saatin üzerinde dayandı ve 10⁶ döngüden sonra belirgin bir bozulma görülmedi. Isı kaynağının dibinde yaşayacak bir parça için bu deney takımı, oda sıcaklığındaki tek temiz eğriden çok daha ikna edici.
Belleği aynı yongaya taşımak parça listesinden fazlasını değiştiriyor. Rezonans noktası uçucu olmayan biçimde bir dalga boyuna sabitlenen ve güç kesilse de silinmeyen bir mikrohalka, büyük fotonik matrislerin durağan yapılandırma için istediği şeyin ta kendisi. TFLN'de modülatörler, doğrusal olmayan elemanlar ve düşük kayıplı kılavuzlar zaten var; artık ikinci bir malzeme sistemine dikilmek zorunda değiller. Makale buna büyük ölçekli fotonik sinir ağlarına giden homojen yol diyor; ağırlık taşıyan sözcük homojen.
Yapılmayanlar da bir o kadar açık. Yalnızca tekil elemanlar ölçüldü; tamamen optik, eksiksiz bir bellek içi hesaplama ağı kurulmadı. Saf optik işletim, elektronik belleğin olgun adresleme mimarisini devralamıyor ve 450 nm yazma ışığını dizinin her hücresine ulaştırmak gerçek bir ambalajlama sorunu. %1,5'lik komşu aralığı, büyük bir diziden yüksek tekdüzelik istiyor. Eksik halkayı tamamlamak önemli bir adım, ama bitiş çizgisinden çok bir giriş biletine benziyor.
Yorumlar