Entegre fotonikteki önemli ilerlemeler, veri iletişimi ve yüksek performanslı bilgi işlemeden tıbbi teşhis ve algılamaya kadar çeşitli uygulamalar için yüksek hızlı ve enerji açısından verimli sistemleri mümkün kılmıştır. Ancak, bu sistemlerde kullanılan veri depolama ünitelerinin elektronik olması, sistemdeki sinyal dönüşümünden kaynaklı olarak verim düşüşüne ve hız kaybına neden olmaktadır. Yıllardır çözülmeye çalışılan optik kontrollü ölçeklenebilir bellek sorununa Nokia Bell Labs araştırmacıları tarafından bir çözüm geliştirildi.

Nokia Bell Labs'ten Farshid Ashtiani, optik belleğin yapay zeka işlemlerinde devrim yaratacağını belirtiyor. 
Bu teknoloji, yüksek hızda veri depolama ve alma yeteneği sayesinde ChatGPT gibi büyük dil modellerini daha hızlı ve verimli hale getirebilir.        

Yeni entegre fotonik kilit, elektronik cihazlarda tek bir biti depolamak için kullanılan temel bir bellek aygıtı olan set-reset kilidi temel alınarak tasarlandı. Veri, girişlere bağlı olarak optik set (1) ve reset (0) durumları arasında depolanıyor. Bu yöntem, geleneksel elektronik belleklerden daha hızlı ve enerji verimli bir seçenek sunuyor. Bu cihazlar, ticari olarak temin edilebilen silikon fotonik üretim süreçleriyle uyumlu ve büyük ölçekli bellek dizileri oluşturulmasına olanak tanıyor.

Yapılan araştırmada, optik statik bellek için ölçeklenebilir entegre bir fotonik set-reset latch (SR Latch) tanıtmaktadır. Temelinde Silikon Fotoniği olan bu sistem, mikro halka modülatörlerin (MRM) doğrusal olmayan ve elektro-optik tepkisini kullanan optik mantık kapıları (UOLG), özellikle NOR ve NAND kapıları üzerine inşa edilmiştir. Bellek biriminin çekirdeğini oluşturan bu kapılar, optik verilerin doğrudan depolanmasını ve geri alınmasını sağlar. Tasarım, paralel veri işleme ve ölçeklenebilirlik sağlayan dalga boyu bölmeli çoğullama (WDM) ile uyumludur.

• Fotonik NOR Kapısı: MRM'ler kullanılarak oluşturulan bu kapı, optik girişleri birleştirir (OR işlemi) ve daha sonrasında ortaya çıkan sonucu tersine çevirir (NOT işlemi). Bu iki işlemin art arda yapılması ile NOR işlemi gerçekleşmiş olur.
• Fotonik NAND Kapısı: NOR kapısına benzer şekilde çalışır, ancak her iki sinyalinde 1 olduğu durumlarda çıktı üretir (AND işlemi) ve ardından çıkan sonucu tersine çevirir (NOT işlemi). Bu iki işlemin art arda yapılması ile NAND işlemi gerçekleşmiş olur.

Bu kapılar, optik SR Latch’in yapı taşlarını oluşturur. Bu kapıların önemli bir özelliği ise çıktı gücünün önceki mantık kapılarından bağımsız olmasıdır. Böylece, mantık devreleri peş peşe konarak zincirleme devreler kurulabilmektedir.

1. Enerji Verimliliği: Optik SR Latch, Optik-Elektronik ve Elektronik-Optik dönüşümlerini ortadan kaldırarak enerji tüketimini önemli ölçüde azaltır. Simülasyonlarda, önerilen optik belleğin bit başına 0,4 pJ/bit enerji tükettiği görülmektedir. Bu, geleneksel elektronik bellek sistemlerinin tükettiği 3,5 pJ/bit'ten çok daha düşüktür.
2. Yüksek Hız: Tasarım, yüksek hızlı MRM'ler ve fotodedektörlerden yararlanarak pikosaniye ölçeğinde bellek yanıt sürelerine ulaşır. Bu, geleneksel elektronik belleklerin çok ötesinde bir hız sağlar.
3. Ölçeklenebilirlik: Bu araştırma, ölçeklenebilir optik belleklerin uzun süredir devam eden zorluklarına önemli bir çözüm sunmaktadır. Optik depolamanın optik işleme sistemlerine entegre edilerek hesaplama ve veri iletişimi alanında büyük gelişmelerin önü açılmaktadır.

Ancak araştırmacılar optik bir işlemcide optik belleğe ihtiyaç duyulmasına rağmen, optik belleğin elektronik belleğin yerini almak için değil, onu tamamlamak ve optik işlemci sistemlerinin performansını geliştirmek için tasarlandığını belirtiyor.

Yeni optik bellek teknolojisi, büyük ölçekli optik işlem sistemlerinin yolunu açarak enerji verimliliğini artırma ve veri işleme hızlarını yükseltme potansiyeline sahip. Bu yenilik, optik ve yapay zeka tabanlı teknolojilerde daha hızlı gelişmelerin habercisi olabilir.