[論文レビュー] Electrical Programmable Multi-Level Non-volatile Photonic Random-Access Memory

Jiawei Meng, Yaliang Gui+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2022

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、シリコンオンインシュレーター基板上に、広帯域透過性相変化材料（Ge2Sb2Se5、GSSe）を用いた、電気でプログラマブルで多値非揮発性光メモリを提示する。0.12 dB（4ビットメモリ）の超低挿入損失を達成し、従来の相変化光メモリと比較して信号対損失比が100倍向上し、静的消費電力はゼロで、50万回のサイクル耐久性を有する。

ABSTRACT

Photonic Random-Access Memories (P-RAM) are an essential component for the on-chip non-von Neumann photonic computing by eliminating optoelectronic conversion losses in data links. Emerging Phase Change Materials (PCMs) have been showed multilevel memory capability, but demonstrations still yield relatively high optical loss and require cumbersome WRITE-ERASE approaches increasing power consumption and system package challenges. Here we demonstrate a multi-state electrically-programmed low-loss non-volatile photonic memory based on a broadband transparent phase change material (Ge2Sb2Se5, GSSe) with ultra-low absorption in the amorphous state. A zero-static-power and electrically-programmed multi-bit P-RAM is demonstrated on a silicon-on-insulator platform, featuring efficient amplitude modulation up to 0.2 dB/μm and an ultra-low insertion loss of total 0.12 dB for a 4-bit memory showing a 100x improved signal to loss ratio compared to other phase-change-materials based photonic memories. We further optimize the positioning of dual micro-heaters validating performance tradeoffs. Experimentally we demonstrate a half-a million cyclability test showcasing the robust approach of this material and device. Low-loss photonic retention-of-state adds a key feature for photonic functional and programmable circuits impacting many applications including neural networks, LiDAR, and sensors for example.

研究の動機と目的

• 既存の相変化材料を用いた光メモリの高光学損失およびエネルギー非効率性を是正する。
• オンチップ光コンピューティングに適した、多値非揮発性で電気でプログラマブルな光ランダムアクセスメモリを実現する。
• 高い性能と長期的なデータ保持性を維持したまま、静的消費電力をゼロに削減する。
• 二重マイクロヒーターを用いたデバイス構造最適化により、性能とエネルギー効率のバランスを図る。
• 神経ネットワーク、LiDAR、センシングシステムへの実用的統合に耐える、耐久性と低挿入損失を実証する。

提案手法

• アモルファス状態で超低吸収を示す広帯域透過性相変化材料、Ge2Sb2Se5（GSSe）を用いる。
• 電気駆動マイクロヒーターを用いて局所的な相転移（アモルファス状態と結晶状態の間）を誘発し、非揮発性メモリ動作を実現する。
• 効率的で低損失の光波導を実現し、CMOSプロセスと互換性を持つシリコンオンインシュレーター（SOI）プラットフォームを設計する。
• 熱分布を制御し、スイッチングの均一性とエネルギー効率を向上させるために、二重マイクロヒーターの配置を最適化する。
• 振幅変調技術を用いて、最大0.2 dB/μmの効率で多値データ記憶を実現する。
• サイクル耐久性試験を実施し、デバイスの長期的信頼性と耐久性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アモルファス状態で超低吸収を示す相変化材料は、シリコン基板上での低損失光メモリを可能にするか？
• RQ2 電気プログラミングを用いることで、多値非揮発性メモリをゼロの静的消費電力で実現できるか？
• RQ3 スイッチング速度、エネルギー効率、均一性のバランスを最適化するための最適なマイクロヒーター構成は何か？
• RQ4 既存の相変化光メモリと比較して、信号対損失比はどの程度向上するか？
• RQ5 繰り返しサイクルを繰り返した場合、提案された光メモリの耐久性と保持特性はどの程度か？

主な発見

• 4ビットメモリ状態において、全挿入損失が0.12 dBという超低損失を達成し、従来の相変化光メモリと比較して信号対損失比が100倍向上した。
• Ge2Sb2Se5のアモルファス相は超低吸収を示し、高い光学透過性と低伝送損失を実現した。
• 非揮発性動作とアモルファス状態での安定したデータ保持性のおかげで、静的消費電力はゼロとなった。
• 50万回のサイクル耐久性試験により、繰り返し電気プログラミングに耐えるデバイスの頑丈さと信頼性が確認された。
• 振幅変調効率は最大0.2 dB/μmに達し、高精度な多値データ記憶が可能になった。
• 二重マイクロヒーターの最適化により、熱クロストークとスイッチングの均一性の両立に成功し、全体的なデバイス性能が向上した。