[논문 리뷰] Electrical Programmable Multi-Level Non-volatile Photonic Random-Access Memory

Jiawei Meng, Yaliang Gui외 12명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 24.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 온 인슐레이터 플랫폼에 광역 투명한 상변화 물질(Ge2Sb2Se5, GSSe)을 사용하여 전기로 프로그래밍 가능한 다중 레벨 비휘발성 광학 랜덤 액세스 메모리(photonic random-access memory)를 제안한다. 이는 초저손실(4비트 메모리 상태에서 0.12 dB)을 달성하고 이전의 상변화 광학 메모리 대비 신호 대 손실 비율을 100배 향상시켰으며, 정적 전력 소비가 0이면서 500,000회 사이클 수명을 확보한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 상변화 물질 기반 광학 메모리의 높은 광학 손실과 에너지 비효율성 문제를 해결한다.
• 칩 내 광학 컴퓨팅을 위한 다중 레벨, 비휘발성, 전기로 프로그래밍 가능한 광학 랜덤 액세스 메모리 기능을 실현한다.
• 높은 성능과 장기적인 데이터 유지 능력을 유지하면서 정적 전력 소비를 0으로 줄인다.
• 성능과 에너지 효율성을 균형 잡기 위해 이중 마이크로 히터를 활용한 장치 아키텍처를 최적화한다.
• 신경망, 라이다 및 센서 시스템에 실용적으로 통합 가능한 강건한 사이클 수명과 저손실 성능을 입증한다.

제안 방법

• 비정질 상태에서 초저흡수 특성을 보이는 광역 투명한 상변화 물질인 Ge2Sb2Se5(GSSe)를 사용한다.
• 비휘발성 메모리 작동을 위해 전기로 구동되는 마이크로 히터를 활용하여 국소적 상변화 전이(비정질 상태와 결정 상태 간 전이)를 유도한다.
• 효율적이고 저손실의 광학 웨이브가이드 및 CMOS 호환 공정과의 통합을 가능하게 하는 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 플랫폼을 설계한다.
• 열 분포 제어 및 스위칭 균일성과 에너지 효율성 향상을 위해 이중 마이크로 히터의 위치를 최적화한다.
• 다중 레벨 데이터 저장을 달성하기 위해 진폭 변조 기법을 적용하며, 최대 0.2 dB/μm의 효율성을 확보한다.
• 장기간 신뢰성과 내구성을 검증하기 위해 사이클 수명 테스트를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정질 상태에서 초저흡수 특성을 보이는 상변화 물질이 실리콘 플랫폼에서 저손실 광학 메모리 구현에 기여할 수 있는가?
• RQ2 전기 프로그래밍을 통해 정적 전력 소비가 0인 다중 레벨 비휘발성 메모리 구현이 가능한가?
• RQ3 스위칭 속도, 에너지 효율성, 균일성 간 균형을 고려할 때 최적의 마이크로 히터 구성은 무엇인가?
• RQ4 기존의 상변화 광학 메모리 대비 신호 대 손실 비율은 어느 정도 향상되는가?
• RQ5 반복적인 사이클링 조건에서 제안된 광학 메모리의 내구성 및 데이터 유지 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 4비트 메모리 상태에서 총 삽입 손실이 0.12 dB로 매우 낮아 이전의 상변화 광학 메모리 대비 신호 대 손실 비율이 100배 향상되었다.
• Ge2Sb2Se5의 비정질 상은 초저흡수 특성을 보여 높은 광학 투명도와 낮은 전파 손실을 가능하게 한다.
• 비휘발성 작동과 비정질 상태에서의 안정적 데이터 유지로 정적 전력 소비가 0이 되었다.
• 50만 회의 사이클 수명 테스트를 통해 반복적인 전기 프로그래밍 조건에서도 장치의 강건성과 신뢰성이 입증되었다.
• 진폭 변조 효율은 최대 0.2 dB/μm에 도달하여 고정밀 다중 레벨 데이터 저장이 가능하다.
• 이중 마이크로 히터 최적화를 통해 열 간섭과 스위칭 균일성을 효과적으로 균형 잡아 전체 장치 성능을 향상시켰다.