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TECNOLOGÍA. Desbloqueando la velocidad de la luz: el futuro del almacenamiento de datos ya está aquí

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Este nuevo tipo de unidad de memoria óptica, llamada pestillo fotónico programable, es rápido y escalable. Podría ofrecer una solución fotónica de silicio de alta velocidad para la memoria volátil. Fuente: Farshid Ashtiani, Nokia Bell Labs

24 enero 2025.- Los investigadores han presentado un pestillo fotónico programable que acelera el almacenamiento y procesamiento de datos en sistemas ópticos, ofreciendo un avance significativo respecto a la memoria electrónica tradicional al reducir la latencia y el uso de energía.

Una memoria fotónica volátil rápida y versátil podría mejorar la inteligencia artificial, la detección y otras aplicaciones computacionalmente intensas.

Tecnología de pestillo fotónico programable

Los investigadores han creado un nuevo tipo de memoria óptica denominada memoria fotónica programable, que es rápida y escalable. Esta unidad de memoria proporciona una solución de alta velocidad para el almacenamiento temporal de datos en sistemas de procesamiento óptico, utilizando fotónica de silicio para mejorar el rendimiento.

El pestillo fotónico programable está inspirado en el pestillo de configuración y reinicio, un dispositivo de memoria electrónica fundamental que almacena un solo bit de datos. Funciona alternando entre dos estados: configuración (1) y reinicio (0), en función de las señales de entrada.

Mejora de los sistemas ópticos con memoria rápida

“Si bien las comunicaciones ópticas y la computación han experimentado un progreso significativo en las últimas décadas, el almacenamiento de datos se ha implementado predominantemente mediante memoria electrónica”, dijo el autor del estudio, Farshid Ashtiani, de Nokia Bell Labs. “Disponer de una memoria óptica rápida que pueda utilizarse con sistemas de procesamiento óptico, así como con otros sistemas ópticos utilizados en comunicaciones o detección, los haría más eficientes en términos de energía y rendimiento”.


En un artículo publicado hoy en la revista Optics Express de Optica Publishing Group , los investigadores describen un experimento de prueba de concepto en el que demostraron el pestillo fotónico utilizando una plataforma fotónica de silicio programable. Características como el ajuste y restablecimiento ópticos, las salidas complementarias, la escalabilidad y la compatibilidad con la multiplexación por división de longitud de onda (WDM) hacen que este enfoque sea prometedor para sistemas de procesamiento óptico más rápidos y eficientes.

“Los modelos de lenguaje de gran tamaño como ChatGPT dependen de cantidades masivas de operaciones matemáticas simples, como la multiplicación y la suma, que se realizan de forma iterativa para aprender y generar respuestas”, afirmó Ashtiani. “Nuestra tecnología de memoria podría almacenar y recuperar datos para dichos sistemas a altas velocidades, lo que permitiría operaciones mucho más rápidas. Si bien una computadora óptica comercial aún es un objetivo lejano, nuestra tecnología de memoria óptica de alta velocidad es un paso hacia ese futuro”.

Memoria óptica: retos e innovaciones

Las tecnologías ópticas han sido fundamentales para el avance de los sistemas de comunicación, desde la transmisión de datos a larga distancia y la conectividad de los centros de datos hasta tecnologías emergentes como las interconexiones ópticas y la informática. Sin embargo, el almacenamiento de datos sigue siendo predominantemente electrónico debido a su escalabilidad, compacidad y rentabilidad. Esto presenta desafíos para los sistemas de procesamiento óptico porque la transferencia de datos ópticos a la memoria electrónica (y viceversa) aumenta el consumo de energía e introduce latencia.


Si bien se han realizado muchas investigaciones en el área de la memoria óptica, la mayoría de las implementaciones se basan en configuraciones voluminosas, costosas y que consumen mucha energía o en materiales especializados que normalmente no se ofrecen en los procesos fotónicos de silicio disponibles comercialmente, lo que genera costos más altos y rendimientos más bajos.


Para superar estos desafíos, los investigadores crearon un pestillo fotónico programable integrado basado en puertas lógicas universales ópticas que utilizan moduladores de microanillos fotónicos de silicio. Estos dispositivos se pueden implementar en procesos de fabricación de chips fotónicos de silicio disponibles comercialmente. Combinaron dos puertas lógicas universales ópticas para crear un pestillo óptico que puede contener datos ópticos.

Soluciones de almacenamiento de datos ópticos escalables y rápidas

Ashtiani afirma que una ventaja clave del nuevo sistema es su escalabilidad. “Como cada unidad de memoria tiene una fuente de luz de entrada independiente, es posible que varias unidades de memoria funcionen de forma independiente sin afectarse entre sí mediante la propagación de la pérdida de potencia óptica. Las unidades de memoria también se pueden diseñar conjuntamente con los sistemas fotónicos de silicio existentes y se pueden construir de forma fiable y con rendimientos muy elevados”.


Otra ventaja es la selectividad de longitud de onda de la unidad de memoria fotónica, que le permite trabajar sin problemas con WDM. Esto se debe a que los moduladores de microanillo de la unidad están diseñados para funcionar en longitudes de onda específicas, lo que permite el almacenamiento de datos de múltiples bits dentro de una sola unidad de memoria. Además, permite un rápido tiempo de respuesta de la memoria, medido en decenas de picosegundos, superando las velocidades de reloj de los sistemas digitales avanzados y admitiendo el almacenamiento de datos ópticos de alta velocidad.


Para demostrar este enfoque de la memoria óptica antes de fabricar chips dedicados, los investigadores utilizaron una plataforma fotónica programable para implementar las puertas lógicas universales y el pestillo óptico a través de experimentos y simulaciones realistas.


Los investigadores probaron las compuertas en diferentes escenarios de entrada. Incluso en presencia de variaciones aleatorias, las compuertas generaron de manera confiable las salidas deseadas. De manera similar, el pestillo también realizó todas las funciones (configurar, restablecer, mantener) con precisión en presencia de variaciones de potencia de entrada.


Los investigadores planean explorar varias maneras de hacer que las nuevas unidades de memoria sean más prácticas para aplicaciones del mundo real. Sus objetivos incluyen ampliar la tecnología para admitir una mayor cantidad de unidades de memoria y desarrollar chips de memoria fotónica especializados. Al aprovechar la compatibilidad de la tecnología con la multiplexación por división de longitud de onda (WDM), pretenden lograr una mayor densidad de memoria en el chip. Además, esperan crear un proceso de fabricación optimizado que integre tanto los circuitos de memoria fotónica como los componentes electrónicos necesarios para controlarlos.


Fuente: “Programmable photonic latch memory” by Farshid Ashtiani, 26 January 2025, Optics ExpressDOI: 10.1364/OE.536535

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