【積體光路系列八】光學記憶體

■利用光子運算就需要屬於光的儲存媒介，光學記憶體的出現讓人類距離全光學運算又更接近一步。

撰文｜方程毅

若光子要完全取代電子進行運算就必須要有儲存資料的媒介，也就是記憶體。現有的光學通訊最終都還是要轉成電子才能儲存資料，因此光學記憶體便是運算光子化的重要關鍵。雖然目前已經有一些光學記憶體的技術，但都僅限於揮發式記憶體(volatile memory)，想要能永久儲存資料就必須要開發出非揮發式光學記憶體(non-volatile memory)。

英國牛津大學材料系與艾希特大學(University of Exeter)、德國明斯特大學(University of Münster)及卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruhe Institute of Technology (KIT))共同研發出非揮發式光學記憶體，刊登在Nature photonics期刊上，並獲得ScienceDaily網站報導。在光學通訊中，有光子訊號為1，沒光子則訊號為0。光學記憶體要能應用就必須能讀又能寫。這項研究中所開發出的光學記憶體，若要「讀取」資料，會先把一束光利用光波導(waveguide)導到記憶體上(如圖中「read」)，並且量測經過記憶體後的光強度，若是這束光維持原本的強度，訊號就為1；若是光經過會被記憶體吸收，收到的光束強度就會減弱，訊號則為0。也就是說一個記憶體存有的訊號是0或1取決於這個記憶體材料的吸收能力；吸收能力弱，光順利通過則為1；吸收能力強，光無法通過則為0。

既然讀取的方法是由記憶體的吸收能力決定，在寫入資料時就要有辦法改變記憶體的吸收能力，因此材料是一大學問，要如何讓一個材料在「寫入」及「抹除」時控制其吸收能力呢？「寫入」就是將1的訊號存放在記憶體裡面；「抹除」就是讓該位元訊號變回0。一束「寫入」訊號要有能力將光學記憶體材料的吸收能力變弱，讓其狀態為1；「抹除」訊號要有能力將光學記憶體材料的吸收能力變強，讓其狀態為0。

要讓同一種材料有兩種吸收狀態，關鍵在於「相」(phase)。「相」是材料中原子排列的方式。簡單來說有結晶(Crystalline)跟非結晶(Amorphous)。結晶就是原子有規則且有特定位置的排列，例如高中課本所介紹金屬的面心立方堆積或六方最密堆積等等；非結晶材料就是原子沒有固定位置，且排列方式沒有規則，例如玻璃就是非結晶材料。不同材料會呈現不同的相，但同一種材料也能因為壓力及溫度的不同而存在超過一種相。

這項研究所使用的光學記憶體材料為 (GST)，當光學脈波通過GST時會改變它的「相」，在結晶態及非結晶態間互相轉變，至於如何改變則取決於光學脈波的強度，GST其實也是DVD跟CD所用的儲存材料，只是尚未被運用在光學通訊的波長(1550nm附近)，這項研究可以說是舊瓶裝新酒。GST之所以可以拿來當光學記憶體便是因為當它是結晶態時對光的吸收能力很強，對應的輸出訊號為0；非結晶態對光的吸收能力很弱，對應的輸出訊號為1。因此我們只要透過調整光學脈波的強度，就可以改變材料的相，同時也決定了何種強度的光是「寫入」何種是「抹除」。更重要的是GST的相不容易改變，也就是說不管是寫入或抹除，它的狀態都可以被保留，後續的讀取動作才有辦法進行。

光學記憶體無論是寫入抹除或是讀取，都是靠光，光跟記憶材料的交互作用決定了記憶體的工作狀態。以GST來說寫入及抹除的光強度都非常高，因此可以改變材料的相；但讀取的光強度就弱很多，不會改變材料的相及狀態，這道光僅僅只是「感受」這個材料的狀態(吸收或不吸收)，而非改變材料的狀態。

執行這項計畫的Bhaskaran教授表示：「這是用一個舊有的材料卻產生全新功能的研究。」「這些光學位元可以以1GHz被寫入，並且提供很大的頻寬。這種高速的資料儲存正是目前現今尖端計算所需。」

原始論文：Ríos, Carlos, Matthias Stegmaier, Peiman Hosseini, Di Wang, Torsten Scherer, C. David Wright, Harish Bhaskaran, and Wolfram HP Pernice. "Integrated all-photonic non-volatile multi-level memory." Nature Photonics (2015).

參考資料：

1. University of Oxford. "Light-based memory chip is the first ever to store data permanently." ScienceDaily.
2. Light-Based Memory Chip Is the First Ever to Store Data Permanently

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作者：方程毅 科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。