新一代光子存储器：快速且高能效！

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新一代光子存储器：快速且高能效！

远望智库技术预警中心 石墨

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据澳大利亚每日航天网站1月15日消息，荷兰埃因霍芬理工大学光子集成研究所(TU/e)近期开发出一种结合光与磁硬盘驱动器优势的“混合技术”，即超短（飞秒）光脉冲技术，让数据能以一种快速、高能效的方式，直接写入磁存储器中。

技术背景

光是最节能的信息传输方式，但也存在一个极大的局限性，即光难以存储。实际上，数据中心主要依靠磁盘驱动器。然而，在这些硬盘中进行信息传输所消耗的能量，目前正呈“爆炸式”增长。

技术创新

超短（飞秒）光脉冲技术，能让数据以一种快速、高能效的方式直接写入磁存储器中，而且只要信息被写入及存储，它就会向前移动，将存储空间留给空存储域，以存储新数据。发表在《自然通信》期刊上的这项研究，有望彻底变革未来光子集成电路的数据存储过程。

技术途径

数据在硬盘驱动器中是以“比特位”形式存储的，这是一种具有“南极”和“北极”的微小磁畴。这些磁极的方向（“磁化方向”）决定了这些“比特位”是包含数字“0”还是“1”。写入数据的过程就是通过“切换”相关比特位的磁化方向来实现的。

通常情况下，施加外部磁场后，切换就发生了，使得磁极的方向要么“向上（1）”，要么“向下（0）”。这种切换也能够通过一种被称为“全光开关”的短（飞秒）激光脉冲来完成，可以实现更有效、更高速的数据存储。

全光开关示意图

埃因霍芬理工大学应用物理系在读博士Mark Lalieu表示，“数据存储所用的全光开关已有差不多十年的历史了，当全光开关首次在铁磁性材料（磁存储器件最有前景的材料之一）中被观察到时，该研究领域得到了极大的发展。但是在这些材料中切换磁化方向需要多个激光脉冲，从而数据写入时间很长。”

Lalieu在导师Reinoud Lavrijsen和Beat Koopmans的指导下，采用单个飞秒激光脉冲，在人工合成亚铁磁体（一种很适合自旋电子数据应用的材料）中实现了全光开关。从而利用了光电开关的高数据写入速度，同时也降低了能耗。

此外，Lalieu将全光开关与所谓的“赛道存储器”集成在一起，这种存储器是一种磁线。通过该磁线，数据以磁比特位的形式，利用电流高效传输。该系统利用光持续写入磁比特位，然后通过电流即时沿着导线传输，给空的磁比特位腾出位置，从而存储新数据。

技术优势

与现代磁存储技术相比，超短（飞秒）光脉冲技术具有以下两个优势。

1) 存储速度提高1000倍

Lalieu表示，采用单脉冲全光开关切换磁化方向的耗时是皮秒级的，比现有的技术快成百上千倍。此外，由于光学信息存储在磁比特位中，不需要利用耗能电子元器件，因此该技术未来在光子集成电路中将具有巨大的应用潜力。

2) 即时数据写入能力

Koopmans说：“在光与磁赛道之间的数据复制是即时的，没有任何中间电子步骤。就像从一辆高速行驶的列车上跳到另一辆高速行驶的列车上，从光子Thalys到磁性ICE，中间没有任何停顿。显而易见，这种方式将大大提高写入速度并降低能耗。”

未来展望

目前这项研究是在微米级的导线上进行的，随着未来纳米级元器件能够更好地集成到芯片上，该技术将会有更大的发展前景。此外，纳米结构领域的科学们也正致力于研究通过全光学的方式进行（磁性）数据的读取，以实现光子存储器件的最终集成。

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