Memória de luz traz avanço multinível para computação óptica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/10/2024

Os ressonadores em anel não apenas funcionam como células de memória, mas também permitem fazer cálculos diretamente, tornando esta uma arquitetura de computação óptica na memória.
[Imagem: Brian Long/UCSB]

Computação óptica

Um grupo internacional de engenheiros eletricistas apresentou um novo método de fabricação que pode tornar a computação com luz uma realidade em um futuro próximo.

A equipe desenvolveu um uso inédito de um material já conhecido, viabilizando a união de duas arquiteturas futurísticas de computação, a computação fotônica, que usa luz em lugar da eletricidade, e a computação na memória, que rompe a separação entre memória e processador que existe nos computadores eletrônicos atuais.

Como os fótons não gostam de interagir uns com os outros, são necessárias diversas técnicas para se construir uma memória de luz. Mas essas técnicas exigem sacrifícios, como abrir mão de uma parte do ganho de velocidade para se obter economia de energia, ou vice-versa.

Agora, Paolo Pintus e colegas dos EUA, Itália e Japão não apenas descobriram um material que dispensa esses sacrifícios, como o utilizaram para construir uma memória óptica com uma lista incrível de características.

A nova memória óptica combina não volatilidade, armazenamento multibit, alta velocidade de comutação, baixa energia de comutação e alta resistência, tudo em uma única plataforma.

"Além disso, nossa tecnologia mostrou uma resistência três ordens de magnitude melhor do que outras abordagens não voláteis, com 2,4 bilhões de ciclos de comutação e velocidades de nanossegundos," disse Nathan Youngblood, da Universidade de Pittsburgh, nos EUA.

Arquitetura da computação óptica na memória desenvolvida pela equipe.
[Imagem: Paolo Pintus et al. - 10.1038/s41566-024-01549-1]

Granada de ítrio e ferro

A equipe não descobriu um novo material, mas sim uma nova utilização para um material já conhecido da indústria microeletrônica, o que é mais uma vantagem da nova abordagem em termos de colocá-la a caminho do uso prático.

"Os materiais que usamos no desenvolvimento dessas células estão disponíveis há décadas. No entanto, eles têm sido usados principalmente para aplicações ópticas estáticas, como isoladores no chip, em vez de em uma plataforma para memória fotônica de alto desempenho," explicou Youngblood. "Esta descoberta é uma tecnologia viabilizadora essencial para uma arquitetura de computação óptica mais rápida, mais eficiente e mais escalável, que pode ser programada diretamente com circuitos CMOS, o que significa que ela pode ser integrada à tecnologia de computadores de hoje."

O material é conhecido como Ce:YIG, uma granada de ítrio-ferro (YIG) modificada com o elemento cério (Ce:YIG) - uma granada é um mineral da categoria dos silicatos, utilizado, entre muitos outros casos, em experimentos de levitação quântica e na produção de luz em LEDs de DNA.

Como o material é magnético, a memória é não volátil, ou seja, não perde dados na ausência ou de energia ou luz.
[Imagem: Paolo Pintus et al. - 10.1038/s41566-024-01549-1]

Célula de memória de luz

A equipe usou o material para construir células de memória óptica na forma de ressonadores de microanel, estruturas fotônicas que têm a incrível capacidade de fazer a luz fluir nas duas direções de modo muito controlado, como dois corredores que estivessem correndo em direções opostas numa mesma pista.

"É como se o vento estivesse soprando contra um velocista enquanto ajuda o outro a correr mais rápido," explicou Pintus. "Ao aplicar um campo magnético às células de memória, podemos controlar a velocidade da luz de forma diferente, dependendo se a luz está fluindo no sentido horário ou anti-horário ao redor do ressonador de anel. Isso fornece um nível adicional de controle que não é possível de se obter em materiais não magnéticos mais convencionais."

É esse comportamento inusitado da luz que permite usá-la na computação óptica. A abordagem típica para processamento fotônico consiste em multiplicar um vetor de entrada, que muda rapidamente, com uma matriz de pesos fixos. O microrressonador em anel permite justamente codificar esses pesos no chip, fazendo a computação inteiramente com luz.

A equipe destaca que sua célula de memória magneto-óptica não recíproca oferece uma solução de armazenamento não volátil eficiente, que pode fornecer resistência ilimitada de leitura/gravação em velocidades de programação de sub-nanossegundos. E também anunciou que já está trabalhando para ampliar a escala do seu protótipo, passando de uma única célula de memória para uma matriz de memória de larga escala, que possa suportar ainda mais dados e testar processamentos mais complexos.

Mais tópicos