光基存储芯片让永久数据存储不再是梦想

 

    强光脉冲（粉色）在一片GST薄膜上写入的数据，能够在次强光（红色）条件下以1和0读出现今，计算机芯片运行速度令人惊叹，但有一种说法认为用光线中的光子代替电子对数据进行存储，操作和移动将使现有芯片技术有更大的飞跃，正如人尽皆知的马和马车一样。最近，一个研究者团队发表报告称他们在芯片上首次创造出光学存储器，这是该研究方向上至关重要的一步。

 

    “我对这项研究十分乐观”，西班牙巴塞罗那光子科学研究所激光物理学家，同时也是这次项目参与者的Valerio Pruneri表示，“这是对一个新概念最好的阐述。”

 

    科学家们对所谓光子芯片的兴趣可以追溯到数十年前，原因显而易见。当电子在计算机芯片的基础部分——逻辑电路上移动从而对数据进行操作、存储并通过金属线传递它时，它们将会互相碰撞，从而减缓移动速度并产生大量热量。光子以光速不受阻碍地共同移动，使得这种情况不会再存在。研究者们已经制造出了含有代替金属线的光学通道和光学存储电路的光子芯片。但是光子芯片却依旧存在着某些缺点。例如， 光学存储电路只有在电力供应充足的情况下才能存储数据。当电力中断时，数据依旧会消失得无影无踪。

 

    最近，由英国牛津大学纳米工程专家Harish Bhaskaran和德国Karlsruhe技术研究所电子工程师Wolfram Pernice带领的研究团队通过使用可重写CD和DVD中的核心材料已经研究出解决数据消失的方法。这种材料（简称GST）由一层锗锑碲合金薄层构成。当强烈的激光脉冲通过时，GST薄膜会改变它的原子结构，使其由有序的晶体框架结构变为非晶体散乱结构。这两种结构通过不同的方式反射光线，而CD和DVD就是用这种方法存储数据。为了读取微小范围内通过晶体结构或非晶体结构模式存储的数据，CD或DVD驱动器使用较低强度的激光照射磁盘并追踪其反射路径。

 

    在研究GST薄膜的过程中，研究者们注意到这种材料不仅会影响光线在薄膜间的反射方式，而且也会影响光线的吸收量。当一种半透明材料被放在GST薄膜下时，拥有晶体有序结构的数据点将会比拥有非晶体结构的数据点吸收更多的光线。

 

    下一步，研究者们想要知道他们是否能够使用这种性质在芯片上永久性的存储数据并进行读取。为了达到此目的，他们通过拥有标准芯片制造科技的氮化硅设备制造出被称为“波导”的芯片，它将会接收以及引导光脉冲。接着他们将一片纳米级的GST薄膜放置在波导芯片的上方。为了在芯片上写入数据，科学家们发射了一束强光脉冲到波导芯片上，通过光线产生的高强度电磁场融化GST，使它晶体的原子结构被打乱。但只需一秒，强脉冲稍微减弱就会使该GST薄膜恢复它最初的晶体结构。

 

    当研究者们想要读取数据时，他们使用次强光脉冲去照射并测量通过芯片的光线吸收量。如果几乎没有光线被吸收，他们就会知道GST薄膜上对应的数据点是非晶体无序结构；如果有较多光线被吸收，就意味着它是晶体结构。

 

    Bhaskaran, Pernice以及他们的同事同时也采取措施使他们能够存储与读取的数据量急剧提升。一开始，他们同时向波导芯片上传送了多种波长的光，允许他们同时写入或读取数据的多个位置，这是你在电子数据存储设备上不可能做到的。并且，按照他们这个星期在Nature Photonics上发表的报告，通过改变数据写入光脉冲的强度，他们能够随时控制每一片GST薄膜转变为晶体结构或者非晶体结构的数量。根据这种模式，他们可以使一片GST薄膜有90%非晶体结构，而仅仅只有10%是晶体结构，同时也可以使另一片GST薄膜有80%非晶体结构和20%晶体结构。这使他们可能在8个不同的混合体上存储数据，而不是像普通二进制的1和0这样完全使用100%非晶体结构数据点或者晶体结构数据点。Bhaskaran认为，这个措施将会大幅度提升每个数据点能够存储的数据量。
 

    如果要使光子存储器赶上电子存储器的水平，它们依旧有很长的路要走。至少，其存储密度将不得不再向上提升几个数量级以增强它的竞争力。Bhaskaran表示，如果存在一种更加高级的光子存储器能集成光子逻辑和内部连接，最终光子芯片的运行速度将有潜力是现有计算机处理器速度的50至100倍。