光基存儲(chǔ)芯片讓永久數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不再是夢(mèng)想

強(qiáng)光脈沖（粉色）在一片GST薄膜上寫入的數(shù)據(jù)能夠在次強(qiáng)光（紅色）條件下以1和0讀出現(xiàn)今計(jì)算機(jī)芯片運(yùn)行速度令人驚嘆但有一種說法認(rèn)為用光線中的光子代替電子對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)操作和移動(dòng)將使現(xiàn)有芯片技術(shù)有更大的飛躍正如人盡皆知的馬和馬車一樣最近一個(gè)研究者團(tuán)隊(duì)發(fā)表報(bào)告稱他們?cè)谛酒鲜状蝿?chuàng)造出光學(xué)存儲(chǔ)器這是該研究方向上至關(guān)重要的一步

我對(duì)這項(xiàng)研究十分樂觀西班牙巴塞羅那光子科學(xué)研究所激光物理學(xué)家同時(shí)也是這次項(xiàng)目參與者的ValerioPruneri表示這是對(duì)一個(gè)新概念最好的闡述

科學(xué)家們對(duì)所謂光子芯片的興趣可以追溯到數(shù)十年前原因顯而易見當(dāng)電子在計(jì)算機(jī)芯片的基礎(chǔ)部分邏輯電路上移動(dòng)從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作存儲(chǔ)并通過金屬線傳遞它時(shí)它們將會(huì)互相碰撞從而減緩移動(dòng)速度并產(chǎn)生大量熱量光子以光速不受阻礙地共同移動(dòng)使得這種情況不會(huì)再存在研究者們已經(jīng)制造出了含有代替金屬線的光學(xué)通道和光學(xué)存儲(chǔ)電路的光子芯片但是光子芯片卻依舊存在著某些缺點(diǎn)例如光學(xué)存儲(chǔ)電路只有在電力供應(yīng)充足的情況下才能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)當(dāng)電力中斷時(shí)數(shù)據(jù)依舊會(huì)消失得無影無蹤

最近由英國(guó)牛津大學(xué)納米工程專家HarishBhaskaran和德國(guó)Karlsruhe技術(shù)研究所電子工程師WolframPernice帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)通過使用可重寫CD和DVD中的核心材料已經(jīng)研究出解決數(shù)據(jù)消失的方法這種材料（簡(jiǎn)稱GST）由一層鍺銻碲合金薄層構(gòu)成當(dāng)強(qiáng)烈的激光脈沖通過時(shí)GST薄膜會(huì)改變它的原子結(jié)構(gòu)使其由有序的晶體框架結(jié)構(gòu)變?yōu)榉蔷w散亂結(jié)構(gòu)這兩種結(jié)構(gòu)通過不同的方式反射光線而CD和DVD就是用這種方法存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為了讀取微小范圍內(nèi)通過晶體結(jié)構(gòu)或非晶體結(jié)構(gòu)模式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)CD或DVD驅(qū)動(dòng)器使用較低強(qiáng)度的激光照射磁盤并追蹤其反射路徑

在研究GST薄膜的過程中研究者們注意到這種材料不僅會(huì)影響光線在薄膜間的反射方式而且也會(huì)影響光線的吸收量當(dāng)一種半透明材料被放在GST薄膜下時(shí)擁有晶體有序結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)點(diǎn)將會(huì)比擁有非晶體結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)點(diǎn)吸收更多的光線

下一步研究者們想要知道他們是否能夠使用這種性質(zhì)在芯片上永久性的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行讀取為了達(dá)到此目的他們通過擁有標(biāo)準(zhǔn)芯片制造科技的氮化硅設(shè)備制造出被稱為波導(dǎo)的芯片它將會(huì)接收以及引導(dǎo)光脈沖接著他們將一片納米級(jí)的GST薄膜放置在波導(dǎo)芯片的上方為了在芯片上寫入數(shù)據(jù)科學(xué)家們發(fā)射了一束強(qiáng)光脈沖到波導(dǎo)芯片上通過光線產(chǎn)生的高強(qiáng)度電磁場(chǎng)融化GST使它晶體的原子結(jié)構(gòu)被打亂但只需一秒強(qiáng)脈沖稍微減弱就會(huì)使該GST薄膜恢復(fù)它最初的晶體結(jié)構(gòu)

當(dāng)研究者們想要讀取數(shù)據(jù)時(shí)他們使用次強(qiáng)光脈沖去照射并測(cè)量通過芯片的光線吸收量如果幾乎沒有光線被吸收他們就會(huì)知道GST薄膜上對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)是非晶體無序結(jié)構(gòu)如果有較多光線被吸收就意味著它是晶體結(jié)構(gòu)

Bhaskaran,Pernice以及他們的同事同時(shí)也采取措施使他們能夠存儲(chǔ)與讀取的數(shù)據(jù)量急劇提升一開始他們同時(shí)向波導(dǎo)芯片上傳送了多種波長(zhǎng)的光允許他們同時(shí)寫入或讀取數(shù)據(jù)的多個(gè)位置這是你在電子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備上不可能做到的并且按照他們這個(gè)星期在NaturePhotonics上發(fā)表的報(bào)告通過改變數(shù)據(jù)寫入光脈沖的強(qiáng)度他們能夠隨時(shí)控制每一片GST薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)榫w結(jié)構(gòu)或者非晶體結(jié)構(gòu)的數(shù)量根據(jù)這種模式他們可以使一片GST薄膜有90%非晶體結(jié)構(gòu)而僅僅只有10%是晶體結(jié)構(gòu)同時(shí)也可以使另一片GST薄膜有80%非晶體結(jié)構(gòu)和20%晶體結(jié)構(gòu)這使他們可能在8個(gè)不同的混合體上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)而不是像普通二進(jìn)制的1和0這樣完全使用100%非晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)點(diǎn)或者晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)點(diǎn)Bhaskaran認(rèn)為這個(gè)措施將會(huì)大幅度提升每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)能夠存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量

如果要使光子存儲(chǔ)器趕上電子存儲(chǔ)器的水平它們依舊有很長(zhǎng)的路要走至少其存儲(chǔ)密度將不得不再向上提升幾個(gè)數(shù)量級(jí)以增強(qiáng)它的競(jìng)爭(zhēng)力Bhaskaran表示如果存在一種更加高級(jí)的光子存儲(chǔ)器能集成光子邏輯和內(nèi)部連接最終光子芯片的運(yùn)行速度將有潛力是現(xiàn)有計(jì)算機(jī)處理器速度的50至100倍