[论文解读] In-memory computing on a photonic platform

Carlos Ríos, Nathan Youngblood+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2018

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 1

一句话总结

该论文展示了首个基于Ge2Sb2Te5（GST）集成光子相变存储器的全光子内存计算系统。通过将标量值映射为输入光脉冲的能量和GST单元的透光率，该系统在单个器件中实现单次写入/擦除、无漂移的直接标量乘法（a × b = c），完成线性、能效高的计算，且无需电光转换。

ABSTRACT

Collocated data processing and storage are the norm in biological systems. Indeed, the von Neumann computing architecture, that physically and temporally separates processing and memory, was born more of pragmatism based on available technology. As our ability to create better hardware improves, new computational paradigms are being explored. Integrated photonic circuits are regarded as an attractive solution for on-chip computing using only light, leveraging the increased speed and bandwidth potential of working in the optical domain, and importantly, removing the need for time and energy sapping electro-optical conversions. Here we show that we can combine the emerging area of integrated optics with collocated data storage and processing to enable all-photonic in-memory computations. By employing non-volatile photonic elements based on the phase-change material, Ge2Sb2Te5, we are able to achieve direct scalar multiplication on single devices. Featuring a novel single-shot Write/Erase and a drift-free process, such elements can multiply two scalar numbers by mapping their values to the energy of an input pulse and to the transmittance of the device, codified in the crystallographic state of the element. The output pulse, carrying the information of the light-matter interaction, is the result of the computation. Our all-optical approach is novel, easy to fabricate and operate, and sets the stage for development of entirely photonic computers.

研究动机与目标

• 开发一种光子平台以实现内存计算，消除电光转换的需求。
• 利用集成光子相变存储器实现直接、全光子的标量乘法。
• 克服光学生物计算存储器中开关能量、速度和单次编程的挑战。
• 在芯片上实现无漂移、线性且能效高的光学计算过程。
• 为基于处理与存储共置的可扩展、高带宽光子计算机奠定基础。

提出的方法

• 系统采用单个集成光子波导，在其上集成Ge2Sb2Te5（GST）相变材料单元，实现非易失性光学存储。
• 输入标量值通过光脉冲能量（Pin）和GST单元的透光率状态编码，后者通过写入脉冲（PWrite）设定。
• 通过波导模式与GST单元之间的近场耦合实现相变（晶态或非晶态），利用局部加热实现。
• 采用反向传播的泵浦-探测配置进行时间分辨表征，连续波（CW）探测光用于读出，泵浦脉冲用于相位调制。
• 精确控制脉冲能量水平：E_write > E_threshold > E_erase，实现多级、可区分的透光率状态。
• 系统实现单次写入/擦除，并在10^4秒内保持稳定传输，噪声和误差由电子元件决定，而非器件本身。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在无需电光转换的情况下，仅通过单个光子存储器件实现直接标量乘法？
• RQ2 是否可能在光子芯片上利用相变材料实现单次写入、非易失性且无漂移的光学计算？
• RQ3 输入脉冲能量与GST单元透光率状态如何协同实现线性、可扩展的光学乘法？
• RQ4 在长时间运行下，该系统的可重复性、噪声和光学漂移的极限是什么？
• RQ5 与基于累加的光学乘法相比，该方法在能效和速度方面是否具有优势？

主要发现

• 系统成功利用单个光子相变存储器单元实现直接标量乘法（a × b = c），其中a、b、c ∈ [0,1]。
• 仅需25 ns的泵浦脉冲即可在1和2 µm长的GST单元中实现可区分的透光率水平。
• 光子GST单元在长达10^4秒的时间内无显著透射漂移，证实其长期稳定性。
• 信噪比（SNR）、状态精度和噪声由电子组件决定，而非光子器件，表明器件具有高保真度。
• 系统实现无漂移、线性的光学过程，可实现可靠计算，无需重复校准。
• 乘法过程的能量消耗被最小化，输入脉冲低至fJ量级，接近电子器件的能效水平。