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Vollphotonisch und volatil – neue Speichertechnik

Nichtflüchtiger volloptischer Chip-Speicher

Ein wesentlicher Schritt auf dem Weg zum optischen Computer ist Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) sowie der Universitäten Münster, Oxford und Exeter gelungen. Die Forscher haben den ersten volloptischen Speicher entwickelt, der sich auf einem Chip integrieren lässt, und seine Daten dauerhaft behält. Dazu benutzten sie Phasenübergangsmaterialien, deren optischen Eigenschaften sich je nach Anordnung der Atome ändern. So können mehrere Bits in einer einzigen Zelle gespeichert werden.

Die Geschwindigkeit des Lichts bestimmt die Zukunft der Informations- und Kommunikationstechnologie. Heute werden Daten über Glasfaserkabel übertragen, um dann auf Computern elektronisch verarbeitet und gespeichert zu werden. Der elektronische Austausch von Daten zwischen Speichern und Prozessoren geht allerdings sehr viel langsamer vonstatten, die Geschwindigkeit des Rechners wird ausgebremst (Von-Neumann-Flaschenhals). Eine optische Verbindung zwischen Prozessor und Speicher und Prozessor reicht nicht aus, um diese „Engstelle“ zu überwinden, da die optischen Signale erst wieder in elektrische überführt werden müssen.

Die Forscher haben nun den ersten nicht volatilen (dauerhaften) optischen On-Chip-Speicher entwickelt, der es erlaubt, optische Bits mit Frequenzen bis zu einem Gigahertz zu schreiben – eine extrem schnelle Datensicherung ist auf diese Weise möglich. Professor Harish Bhaskaran (Universität Oxford) erklärt: „Der Speicher ist sowohl mit der üblichen optischen Datenübertragung über Glasfaser als auch mit modernsten Prozessoren kompatibel. “

Auch ohne Stromzufuhr kann der neue Speicher Daten jahrzehntelang bewahren. Sehr interessant ist die Fähigkeit, mehrere Bits in einem einzigen, nur einige Nanometer großen Mehrebenenspeicher zu speichern. Nicht nur die gewohnten Informationswerte 0 und 1 stehen zur Verfügung, es lassen sich mehrere Zustände sichern – und der Chip kann sogar eigenständige Berechnungen ausführen. Grund dafür sind sogenannte Phasenübergangsmaterialien. Diese neuartigen Materialien können ihre optischen Eigenschaften abhängig von der Anordnung der Atome ändern. In kürzester Zeit können sie zwischen kristallinem (regelmäßigem) und amorphem (unregelmäßigem) Zustand wechseln. Der Wechsel zwischen den Zuständen lässt sich mit ultrakurzen Lichtpulsen auslösen. Kristallin zu amorph speichert Daten, von amorph zu kristallin werden die Daten gelöscht. Auslesen lassen sich die Daten mit schwachen Lichtpulsen.

Volloptische Speicher, die Daten dauerhaft erhalten, könnten die Leistung von Computern erheblich steigern und dabei den Energieverbrauch drastisch reduzieren. In Verbindung mit volloptischen Verbindungen könnten sie Verzögerungen reduzieren, die energieaufwendige Umwandlung von optischen Signalen in elektronische (und umgekehrt) wäre dann überflüssig.

Bildquelle: kit.edu