Wetenschappers slaan data voor lange tijd op met licht

Het is onderzoekers gelukt data stabiel op te slaan op een geheugenchip met behulp van licht. Ook was het mogelijk de data weer uit te lezen met licht. Het gebruikte materiaal om de data in op te slaan is niet nieuw en wordt ook gebruikt in herschrijfbare cd's en dvd's.

De materiaalwetenschappers van onder andere de universiteiten van Oxford en Münster wisten een stabiel geheugen te ontwikkelen dat door middel van lichtpulsen beschreven kan worden. Ook is het mogelijk het geheugen met één lichtpuls zowel te beschrijven als te lezen. Het gebruikte materiaal, dat ook is terug te vinden in andere herschrijfbare media, zoals dvd's en cd's, is Ge₂Sb₂Te₅, ofwel gst. Het materiaal kan met behulp van licht in twee verschillende toestanden gebracht worden, een 'vormloze' toestand of in een keurig kristalrooster.

Om dat laatste te kunnen doen, ontwikkelden de onderzoekers een systeem waarbij een klein vlakje gst boven op een siliciumnitride-strookje ligt. Het strookje functioneert als een golfgeleider om het licht te vervoeren. Door een krachtige lichtpuls door de golfgeleider te sturen, kan de toestand van het gst veranderd worden. Feitelijk smelt het heel snel, waarna het zijn kristalstructuur verliest. Een iets minder sterke lichtpuls kan het materiaal vervolgens weer laten veranderen in een kristalstructuur op de desbetreffende plek en vice versa. Als het gst met rust gelaten wordt, verandert de toestand niet.

Later kan het geheugen weer gelezen worden door er minder krachtige lichtpulsen op af te sturen via de golfgeleider. Het verschil in toestand, een kristalrooster of een vormloze toestand, is het verschil tussen een 1 of een 0. Door tegelijk verschillende golflengtes van het licht door de golfgeleider te sturen, wat ook wel golflengte-multiplexing wordt genoemd, is het mogelijk om het geheugen te lezen en te beschrijven met een enkele lichtpuls.

De onderzoekers ontdekten ook dat het mogelijk is met de verschillende intensiteiten van de lichtpulsen snel achter elkaar verschillende mengsels van vormloze en kristalstructuren te vormen in het materiaal. Als vervolgens pulsen met lagere intensiteit door de golfgeleider gestuurd werden, konden de minieme verschillen tussen het uitgezonden licht waargenomen worden. Hiermee konden acht verschillende toestanden gelezen of geschreven worden, waarmee dus meer mogelijk is dan alleen maar het uitlezen van een 0 of een 1. Een enkele geheugenbit kan dus in acht verschillende lees- en schrijfbare toestanden gebracht worden, waarmee het mogelijk moet zijn om berekeningen te doen op het geheugen.

De optische bits kunnen volgens een van de onderzoekers met frequenties van 1GHz geschreven worden, iets wat tot veel snellere dataopslag kan leiden. Het team onderzoekt nu hoe de technologie bruikbaar kan worden gemaakt, waarbij een elektrisch-optische verbinding hoog op het lijstje staat.

Het onderzoek wordt uitgebreid beschreven in Nature Photonics.

Reacties (36)

[Johan9711]

als snelheden van 1ghz mogelijk zijn is RAM toch overbodig? je gebruikt gewoon je opslagdisk als ram.

[TunderNerd]

RAM zit fysiek kort bij de processor, de datalijnen zijn zo getekend dat ze exact even lang zijn om te garanderen dat alles op het zelfde moment klaar staan. En dat wil jij nu over een SATA gaan doen? Daar gaan nog wel een paar decenia overheen

[Verwijderd]

Zoiets moet je combineren met een cpu die ook op deze wijze werkt en dan alles in 1 soc integreren, ofwel: 1 mobo, 1 zwarte plak erin prikken, daar zit alles in; cpu, ram, gpu, gpu-ram etc. Wat heeft het voor zin om 1 component bloedsnel te maken, terwijl de rest als bottleneck fungeert? Niks imo. Vraag mij wel af, of dit systeem dan in principe minder gevoelig is voor statische elektriciteit- dat lijkt mij wel waarschijnlijk en een groot voordeel, naast de snelheid.

[TunderNerd]

Wat bedoel je precies met statische electriciteit? EMC, soft errors, of ESD? qua ESD: je moet in princiepe NOOIT een chip aan zijn pinnen aanraken. Ondanks dat de chip het mischien nog wel doet maak je altijd schade. EMC technisch gezien: hoe dichter dingen bij elkaar staan hoe meer ze met elkaar interfereren. Qua soft errors: dit artikel http://www.cs.toronto.edu/~bianca/papers/sigmetrics09.pdf ontkracht het geheel, en wijst op dat het meer aan de hardware ligt.

[Game_overrr]

Je hebt toch ook al PCI-E hdd's en ook al een hoop gasten die een ramdisk maken om het OS in te installeren, ik denk niet dat dit nou echt een blokkade moet zijn. Johan had het misschien anders moeten formuleren:

Je gebruikt gewoon je ram als opslagdisk (en je maakt je ram dus extreem groot)

[valvy]

Dan zit de bottleneck inderdaad tussen de schijf en de processor.

Echter denk ik dat met de huidige snelheid van ontwikkeling, dat ram relatief snel wordt vervangen met grotere registers en snellere schijven.

Allemaal speculatie natuurlijk, maar een decennia terug dacht men ook dat de huidige technologieen heeel ver weg was

[cdwave]

Dan heb je wat recente ontwikkelingen gemist vrees ik.

DDR Geheugen met een high-speed serial interface (zoals SATA en PCIe dat hebben) is namelijk al te koop, en wordt dus al toegepast. En jazeker, dit is bedoeld als werkgeheugen voor de processor (en andere componenten natuurlijk).

[Reactie gewijzigd door cdwave op 24 juli 2024 01:02]

[ljo13]

Klopt maar het is natuurlijk wel gemakkelijk om toch ergens een vaste hoeveelheid ram geheugen te hebben die altijd beschikbaar is. Wanneer je je opslagdisk als ram gaat gebruiken dan heb je geen gegarandeerd vrije ruimte tenzij je deze ruimte reserveert om als RAM te worden gebruikt en dan maakt het weinig uit of dit op je harddisk zit of apart op het moederbord.

Ik zie hier wel de voordelen van in (snel even het ramgeheugen verdubbelen wanneer dat nodig is) maar RAM-geheugen heeft bv. ook andere eigenschappen zoals bv. niet meer zo gemakkelijk uitleesbaar na gebruik en dus veiliger (in omgevingen waar dat belangrijk is).

[gjmi]

Misschien in de toekomst, maar de komende jaren denk ik nog niet. Ten eerste word hier niets vermeld over slijtage. Ten tweede zal de datadichtheid op dit moment nog laag zijn in vergelijking met DDR4

[cdwave]

Je RAM loopt op ongeveer 2GHz deze dagen. En dat is nog het extreem trage externe RAM die een gigantische bottleneck voor de CPU vormt, en die daarom bergen (snellere) cache heeft om daar een beetje omheen te werken.

[pjot1]

Ruik ik hier de opvolger van de SSD?

[teacup]

Naast de snelheid hangt dit ook af van de mate waarin het schrijf of wis proces het Ge2Sb2Te5 materiaal doet verouderen. Het proces lijkt wat subtieler dan het branden of schoonvegen van een CD/DVD-RW.

Ook zal nog moeten worden onderzocht hoe duurzaam de informatie is die opgeslagen wordt.

Als het gst met rust gelaten wordt, verandert de staat niet.

Als.....definieer "met rust laten. Geen zonlicht (killing voor CD/DVD), geen vocht ed. Zouden we hiervan een drive maken waarbij brander en Ge2Sb2Te5 (GST) zich in een gecontroleerde omgeving bevinden verwacht ik wel dat de levensduur van opgeslagen data vlot zal toenemen ten opzichte van de CD/DVD situatie.

Een andere factor voor succes zal de datadichtheid van procede zijn. In het artikel lees ik termen als "5 µm GST device" Een grote afbeelding in nature laat iets beter de aard van het GST device zien. Interpreteer ik het goed als de geheugencel een doorsnede heeft van ca. 10nm? Dan denk ik dat het procede nog wat moet verkleinen.

[Verwijderd]

De geheugencel mag mss wel klein zijn, maar de waveguides zijn nog enorm groot tov conventionele geheugen opslag. Je zit altijd met het probleem dat je lichtstraal een relatief grote ruimte nodig heeft om te propageren, anders wordt hij simpelweg gereflecteerd..
Dus verkleinenen gaat niet echt, buiten als zo kortere wavelengths gebruiken, wat perfect mogelijk is op een Si3N4 platform. Maar het effect daarvan gaat niet drastisch zijn. Plasmonic waveguides zouden hier mss een toffe opvolging op kunnen bieden. Dus deze dingen moeten natuurlijk wel in beschouwing genomen worden voor het in toestellen kan worden gebruikt, maar zeker handig zolang het circuit niet to groot wordt.

Die 5 nm is de hoogte van je actief element (GST), de breedte van zo een waveguide is ong 1um.

[Verwijderd]

Geen idee. De komende jaren zul je hier iig niets van terugzien in consumenten producten gezien het nu nog niet meer dan een proof of concept is.

[Verwijderd]

Geen idee. De komende jaren zul je hier iig niets van terugzien in consumenten producten gezien het nu nog niet meer dan een proof of concept is.

Terugzien.. het gaat over licht

[massareal]

Niet al het licht is zichtbaar (voor ons).

[DvE]

Licht ruik je niet

[Stoney3K]

In feite is dit dus een vergelijkbare opstelling als een (massieve) SSD tegenover een (bewegende) HDD staat, staat deze 'chip' als een solid-state variant tegenover een CD-RW?

Want zoals ik het nu lees is het feitelijk niks anders dan het materiaal van een CD- of DVD-RW wat in cellen is gestopt en ze proberen uit te lezen op dezelfde manier als een SSD, zodat geen bewegende delen meer nodig zijn.

[Reactie gewijzigd door Stoney3K op 24 juli 2024 01:02]

[skunkopaat]

Precies wat ik dacht. Maar wel véél sneller, gezien ik uit het artikel begrijp dat lezen en schrijven tegelijk zou kunnen

[Menesis]

Maar hoeveel verschil is er in de praktijk tussen zo'n oplossing en een SSD? Dit zou je (mits verder ontwikkeld) volgens mij ook als een concurrent voor SSD kunnen zien toch?

[Verwijderd]

"Een enkele geheugenbit kan dus in acht verschillende lees- en schrijfbare staten gebracht worden, waarmee het mogelijk moet zijn om berekeningen te doen op het geheugen."

Kan iemand mij uitleggen hoe die berekeningen werken? Mij lijkt het eerder dat ze in één 'geheugenbit', drie databits kunnen opslaan?

[alamont]

De extra staten hoeven niet in één keer gezet te worden maar kunnen ook door meerdere licht pulsen gezet worden. De uiteindelijke staat is dus een functie van alle pulsen.

Het artikel staat achter een paywall dus ik weet niet precies hoe het werkt maar je kan je voorstellen dat je de pulsen bijelkaar optelt. Als je dan de huidige staat met 1 wilt ophogen zou je dus gewoon een puls er op schieten in plaats van eerst de waarde uit te lezen, de berekening te doen en weer terug te schrijven.

[Reactie gewijzigd door alamont op 24 juli 2024 01:02]

[Verwijderd]

"met frequenties van 1Ghz per seconde"

Hertz is juist de SI-eenheid voor frequentie, dus aantal keer per seconde. Beetje dubbel dus.

[Verwijderd]

"met frequenties van 1Ghz per seconde"

Hertz is juist de SI-eenheid voor frequentie, dus aantal keer per seconde. Beetje dubbel dus.

1 GHz per seconde = 1 G [Hz] [1/s] = 1 G [1/s * 1/s] = 1 G [1/s ^2]
Dus:
Hz = aantal cycli per seconde (officiele SI-eenheid)
Hz per seconde = aantal cycli per seconde kwadraat.
Of het zinnig is om te spreken over Hz per seconde valt buiten het bestek van deze topic. Ik heb alleen even vertaald wat "GHz per seconde" inhoudt.

[StGermain]

Als ze hetzelfde materiaal gebruiken als in herschrijfbare cd's en dvd's geeft dat mij niet echt veel vertrouwen dat de data ook op lange termijn goed zal blijven. Bovendien kan je wel één stukje aanleggen met de nodige lichtpulsen maar ga je toch weer terug moeten vallen op mechanische delen met een gefocuste laser als je niet voor elke 8 bits (of 6 bits en 2 controlebits?) lichtlijnen wil moeten aanleggen. Dan krijg je dus een blu-ray disc...

[Alfa1970]

>Door tegelijk verschillende golflengtes van het licht door de golfgeleider te sturen, wat ook wel >golflengte-multiplexing wordt genoemd, is het mogelijk om het geheugen te lezen en te beschrijven >met een enkele lichtpuls.

Je kan mijns inziens niet spreken van een enkele lichtpuls.
Het plaatje laat namelijk 2 verschillende pulsen zien die door middel van fase verschuiving, na elkaar worden verzonden.
Ondanks het feit dat beide pulsen samenkomen en door één medium worden verzonden, blijven het twee afzonderlijke pulsen die na elkaar worden verzonden.

Hoewel het artikel spreekt van golflengte multiplexing gaat het hier eigenlijk om doodsimple time multiplexing, iets dat we al "eeuwen" kennen.

Dat wil niet wegnemen dat het een clevere manier is van het toepassen van bekende technologie op bekende materialen waarvan we de eigenschappen al kennen.
En 1Gbit/sec is een mooie schrijf/lees snelheid.

[Jogai]

Een enkele geheugenbit kan dus in acht verschillende lees- en schrijfbare staten gebracht worden

Dus een byte?

[Verwijderd]

Nee, een byte kan 2^8=256 verschillende states hebben.

[Mida]

Betekent dit dat een byte van deze bits 8^8 states kan hebben?

[TagForce]

Dan is het geen bit meer, he?

Bit = BInary digiT. En Binary = 2 states (1 of 0, aan of uit, hoog of laag), en niet 8.

[Mida]

Klinkt logisch, al heeft het artikel het wel over geheugenbits die in 8 verschillende staten gebracht kunnen worden. Zorgt dit niet potentieel voor enorm vergrootte opslag capaciteit en snelheid?

[Alfa1970]

Het zijn volgens mij in feite 4 bits in één "deelcomponent".
Net zoiets als met multi-cell/level (sp?) nands.