Australische onderzoekers zetten licht om in geluid op een chip

Australische onderzoekers van de Universiteit van Sydney zijn er voor het eerst in geslaagd om in een microchip lichtgolven om te zetten naar geluidsgolven. De snelheid van de gegevensoverdracht wordt hiermee vertraagd, wat de verwerking van data gemakkelijker maakt.

De onderzoekers hebben in een integrated optical circuit, oftewel een fotonische chip waarin licht wordt gebruikt voor de verwerking van data, de fotonen in een buffer omgezet in geluidsgolven. De snelheid van deze geluidsgolven wordt in vergelijking met de snelheid van de fotonen enorm verlaagd, volgens de onderzoekers met een order of magnitude van vijf, waarna het geluid weer wordt omgezet in fotonen.

In het ontwerp van de onderzoekers gaat het licht door een speciale draad van zacht glas, waarbij de golflengtes gelijk blijven, maar de snelheid aanzienlijk omlaag gaat. Het transport van de lichtgolf door de glasvezelkabel zorgt voor een trilling. Deze geluidsgolf gaat dan met de geluidssnelheid door de draad, waarna hij weer gelezen kan worden aan het uiteinde.

De onderzoekers hebben, door het licht om te vormen in geluidsgolven, een soort akoestische buffer gemaakt, waarbij het door de teruggebrachte snelheid veel eenvoudiger is om de data te controleren. Volgens de wetenschappers is er, in tegenstelling tot eerdere pogingen, bij hun ontwerp geen sprake van een beperkte bandbreedte; de informatie kan gelijktijdig worden opgeslagen en opgevraagd op verschillende golflengtes. Daarmee zou de efficiëntie van een microchip op basis van deze technologie aanzienlijk toenemen.

Deze vertraging is noodzakelijk, omdat data via licht te snel gaat om goed te worden verwerkt en opgeslagen. Fotonische chips worden gebruikt bij glasvezelverbindingen voor het internet en in datacenters. Dat heeft als voordeel dat er geen gevoeligheid voor elektromagnetische interferentie optreedt. Het gebruik van licht genereert minder hitte en er is minder energie voor nodig. Licht is door de snelheid ook buitengewoon geschikt voor het versturen van data. Daarom wordt het gebruikt in bijvoorbeeld onderzeese internetkabels, maar zodra het moet worden verwerkt in computers en systemen, is de snelheid een probleem: het valt niet mee om licht af te remmen.

Volgens de onderzoekers is het vertragen van de snelheid van de informatiedragende fotonen essentieel, voordat deze technologie commercieel interessant wordt. Een van de onderzoekers noemt het onderzoek een belangrijke stap in het veld van verwerken van optische informatie.

Het onderzoek is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications, onder de titel A chip-integrated coherent photonic-phononic memory.

Reacties (45)

[kaas-schaaf]

Dit doet me meteen denken aan delay line memory. Een zelfde soort concept.

[Luno]

Het zal wel aan mezelf liggen. maar ik snap het niet.
Tussen licht en geluid is meer dan een factor 100.000 verschil.
Als je de informatie afremt tot een 1/100.000 kun je het niet daarna versnellen met een factor 100.000. Je mist dan 99.999/100.000 van de info.
Of ben ik gek.

[SinergyX]

Vertraging betekend niet dat alles er ook 'trager' uitkomt. Zie het als een tunnel, iedereen er met 100km/h in, 10km/h in de tunnel, 100km/h er weer uit, er 'verdwijnt' geen auto. Natuurlijk, de absolute A-tunnel-B is trager dan A-B, maar ze hebben nu wel de mogelijkheid in de tunnel de data eruit te halen, was bij A-B direct niet mogelijk is.

Daarbij kan je de dichtheid bij geluid verhogen, als bij licht dichtheid '1 per X afstand' is, zouden ze dit bij geluid '40 per X afstand' kunnen maken en zodoende de informatie al met factor 40 verlagen en omdat het langzamer gaat, dit makkelijker kan opslaan.

[Reactie gewijzigd door SinergyX op 25 juli 2024 08:24]

[sys64738]

Ja en dan krijg je aan de voorkant van de tunnel toch mega file? Met auto's is dat niet zo erg want die kunnen nergens heen en als ze aan de beurt zijn, rijden ze alsnog door de tunnel. Licht kun je niet echt laten wachten of op pauze zetten. Dat is er op 1 moment en daarna is het weg. Dus ik snap ook niet precies hoe ze dit dan voor zich zien.

[MartijnHavinga]

Voor de tunnel rijd iedereen 400 meter van elkaar af.
In de tunnel rijd iedereen 10 meter van elkaar af.
Na de tunnel rijd iedereen weer 400 meter van elkaar af.

Overal krijg je 1 auto per x tijd. Zolang iedereen netjes op hetzelfde punt remt en weer gas geeft krijg je geen file.

[iMars]

Maar dan zit je volgens mij niet op max bandbreedte toch?

Hetzelfde als 1Mbit door een 1Gbit lijntje, dan een 10Mbit lijntje en weer naar een 1Gbit lijntje, dat gaat prima.

Maar 1Gbit door een 10Mbit lijntje proppen, dan moet je toch echt bufferen en krijg je vertraging.
Tenzij je 1Gbit door 100x 10Mbit lijntje gooit, dan kan het wel. Anders niet lijkt me.

(1Gbit/10Mbit/Etc ff als voorbeelden gebruikt)

[cyrillic_nl]

Stel het lijntje is in dit geval zichtbaar licht met een frequentie van 500 THz, dan kun je daar theoretisch meer dan 500 TB/s doorheen jagen. Alleen is dat praktisch niet mogelijk en in het artikel is de bandbreedte blijkbaar dus laag genoeg om binnen de bandbreedte van een geluidsgolf te passen.

Geluid in massa noemen we fononen trouwens.

[D-Day]

Je hebt net een eureka moment voor de ANWB op papier gezet. De oplossing voor het file probleem

[MichaelB74]

Niet als je tunnel lang genoeg is en het deel wat je meet zich in die tunnel bevindt.

[Aikon]

Om in het voorbeeld te blijven: als de tunnel breed genoeg is om met 10km/h naast elkaar te blijven rijden zal er geen file ontstaan. Bij wijze van spreke moeten de auto's dan instantaan afremmen én naast elkaar gaan rijden en bij de uitgang vice versa. In de praktijk wat lastig met auto's maar met fotonen/trillingen en elektronica gelukkig geen probleem. Er hoeft geen infomatie verloren te gaan danwel (extra) vertraging op te treden (los van het stukje wat langzaam gaat).

[Verwijderd]

Dan moet je nog steeds apparatuur hebben die de serial stream in parallel streams kan delen in real time. en dat is nu net het probleem. De hier getoonde oplossing verhoogt de complete throughput niet bijzonder.

[SinergyX]

Principe niet, ik weet niet of je de game Factorio kent? Daar heb je lopende banden op verschillende snelheden, daar praten ze ook over maximale doorvoer per unit.

Stel nu dat licht wordt vervoerd met 1 unit per seconde over 10 meter, dus 10m/sec, de dichtheid is makkelijk genomen dan ook 1 unit per 10 meter. Bij geluid kunnen we bv maar 1m/sec, om dit gelijk te trekken moeten we dus de dichtheid verhogen om dezelfde 'doorvoer' te hebben. Als wij geluid dan met een dichtheid van 1 unit 1 meter kunnen maken, dan hebben we 10 units per 10 meter per 10 seconde (1m/sec maakt 10sec over 10meter).

De netto doorvoer per 10 meter is dan nog steeds gelijk.

In basisprincipe, vergelijk het met serieel vs parallel, theorie kunnen ze net zoveel doorvoeren in een timeframe. De een gaat snel achter elkaar, de ander gaat traag naast elkaar, netto doorvoer gelijk.

[Reactie gewijzigd door SinergyX op 25 juli 2024 08:24]

[Koekiemonsterr]

Ik heb het nu aangepast in de formulering die de onderzoekers zelf gebruiken, namelijk order of magnitude. Er stond overigens in eerste instantie ook het woord grofweg, dus grofweg 100.000, maar ik vroeg me al of ik dit goed en duidelijk genoeg had 'vertaald', en vooral of dit wel duidelijk zou overkomen.

[Reactie gewijzigd door Koekiemonsterr op 25 juli 2024 08:24]

[supersnathan94]

Een order of magnitude is in het nederlands letterlijk orde van grootte. Dit wordt gebruikt in de wetenschappelijke notatie om aan te geven dat iets met een factor 10 wordt vergroot of verkleind.

1000 kan men opschrijven als 10^3. Een vergroting in de orde van grootte van 1 maakt de exponent hoger met 1, wat gelijk staat aan een factor 10.

Wat je nu hebt staan als "order of magnitude" van 5 betekent dat de exponent met 5 wordt vergroot/verkleind. Oftewel: een factor 10^5. Dat is weer gelijk aan een factor 100.000.

[Koekiemonsterr]

Precies, ik had ook letterlijk 'grofweg 100.000' opgeschreven, maar dat leidt kennelijk tot enige verwarring

[JanusJaap]

FF proberen: je kan toch met een auto 100km/h rijden, file tegenkomen en terug naar 10km/h daarna weer naar 100km/h zodra de file weg is....

Snap alleen niet dat ze zeggen dat de bandbreedte geen probleem is, want dat is nu juist wel het probleem van een file.

Zal het onderzoek eens lezen.

edit: grappig dat toen ik dit typte er geen andere tunnel reacties waren. schijnbaar toch een leuk voorbeeld.

[Reactie gewijzigd door JanusJaap op 25 juli 2024 08:24]

[Verwijderd]

FF proberen: je kan toch met een auto 100km/h rijden, file tegenkomen en terug naar 10km/h daarna weer naar 100km/h zodra de file weg is....

Ik denk dat je niet auto rijd. Iedereen die regelmatig in een file zit weet dat de weg schijnbaar leeg is na een file omdat het aantal auto's na jouw file (100/10 kmh) een tiende is van voor de file. Throughput is ALTIJD beperkt door de bottleneck en niet door de invoer en uitvoer mogelijkheid.

[JanusJaap]

Dat zeg ik, bandbreedte is nu juist het probleem van een file. Zodra men langzamer gaat rijden neemt de capaciteit van de weg af. Doordat mij antwoord zo ver weg van de vraagsteller staat, leest het een beetje apart denk ik. Toen ik typte was ik de eerste, toen ik op enter drukte 1 van de velen.

[cdwave]

Zodra men langzamer gaat rijden neemt de capaciteit van de weg af.

Nauwelijks.

Stel elke bestuurder houdt 2 seconden afstand van zijn voorganger. Als je dan naast de weg gaat staan, zie je elke 2 seconden een auto langs komen, ongeacht hoe hard ze rijden. De enige verstoring is de lengte van de auto, die heb ik niet meegenomen (aangezien de auto's dan 40m uiteen rijden is dat niet zo'n punt)

De capaciteit van de weg hangt alleen af van de afstand tussen de auto's (gemeten van voorbumper tot voorbumper), maar niet van de snelheid.

[JanusJaap]

Hmmm, ik dacht dat je verkeerd zat,maar nu ik het wat tijd geef.... idd, langzamer rijden is minder afstand, dus meer auto's per meter weg. Je zegt dus dat dat +/- gelijk is aan een hogere snelheid met meer meters er tussen. Geen zin om het na te rekenen, maar ik gelof je best.

[ET-phone-home]

@Luno Dat lijkt inderdaad aardig tegenstrijdig, tenzij het geluid ook alle informatie bevat die in het licht zat. Vergelijk het met een autoweg: met 100km/h een lange tunnel in, in de file staan met 10 km/h en er met 100 km/h er weer uit. Dan blijven niet 9 van de 10 auto's in de tunnel achter.

[I-King]

De tunnel moet dan wel 10x zo breed zijn om gelijke doorvoer te houden volgens mij.

[ET-phone-home]

Het is maar een analogie. Informatie kan op vele manieren in een medium of een signaal worden opgeslagen. Een vinyl LP bijvoorbeeld bevat meer informatie per afgetaste cm dan een CD. Dus auto's kunnen krimpen, overdwars of op elkaar staan.... ;-)

[Mitsuko]

Het ligt er vooral aan hoe hoog de informatiedichtheid in de stroom fotonen is lijkt me. Geluid is een macroscopisch fenomeen dus de maximale informatiedichtheid ligt waarschijnlijk een stuk lager (afhankelijk van de grootte van het medium), maar zo lang je met de informatiedichtheid van het licht onder de haalbare piekdichtheid van de geluidsgolven blijft kan je alle informatie opslaan.

[KingFrogzz]

Ik weet ook niet precies hoe het in mekaar steekt, licht is sowieso een interessant geval, maar ik denk dat in hun "zacht glas" licht zich veel langzamer kan voortplanten dan in lucht of vacuum.
Hierdoor zou het kunnen zijn dat het zich meer als een klassieke golf (geluid) gaat gedragen in plaats van een pakketje golven.

Het is ook zo dat wanneer licht door een medium naar binnen en weer naar buiten gaat, het vertraagd en versneld zonder dat daar weer extra energie in gestoken moet worden.

[djexplo]

Het principe is 2D niet 1D ....

Als 2 geluidsgolven met elkaar interfereren krijg je in 1 ruimte op sommige plekken buiken en sommige locaties knopen. Plekken waar de geluidsgolven elkaar versterken en plekken waar ze elkaar uit doven.

In dit geval hebben we een optisch data signaal, en een optisch codeer/modulatie signaal. Deze interfereren, dus op sommige plekken/locaties in het optische pad versterken ze elkaar en andere plekken doven ze elkaar uit. Deze energie zorgt voor thermische uitzetting dus een geluids-golf, maar hoe deze er uitziet is afhankelijk van de fysieke positie in de fiber/modulator.
Het idee is dat als je nu even later het optische modulatie signaal weer aanbied, deze weer interfereert met de geluidsgolf (waarschijnlijk veroorzaakt deze brekingsverschillen) en het oorspronkelijk optische signaal oplevert.

[Verwijderd]

Wacht even, jij zegt dat hier licht naar geluid wordt omgezet door thermische uitzetting? En dat met miljarden bits per seconde?

Waar haal je dat vandaan? Niet uit het research paper....

[AmigaWolf]

Niet alleen dat, een optische Kabel doet toch ongeveer het zelfde, daar stuur je via licht geluid naar je versterker, en de chips in versterker zetten het om naar normale geluid golven naar je speakers?

Maar als ze licht langzamer kunnen laten gaan, betekent het dan niet dat de licht in de ruimte ook niet altijd de zelfde snelheid gaat, en dus heel veel rekensommen verkeert lijkt te zijn?

[JanusJaap]

Zo begrijp ik dat niet. Via een optische kabel wordt er een digitaal signaal verstuurd. Dat digitale signaal is toevallig geluid in jouw geval. De ontvangende versterker zet die digitale informatie weer om in een versterkbaar audiosignaal.

[Guru Evi]

Het vertraagt een deeltje van het licht. Dus je stuurt een foton door, de foton vertraagt om de bewerking te doen (of als 'geheugen') en dan komt het er weer uit aan lichtsnelheid.

Het is niet alsof je een stroom licht erdoorheen kunt jagen, dan krijg je inderdaad een bandbreedte probleem.

[SkyCloud]

Dat gebeurt met een gewone telefoon met een draadje toch ook zou ik denken?
Je spreekt in de micro (analoog), wordt omgezet naar een elektrisch signaal dat ook met lichtsnelheid naar het andere toestel wordt getransporteerd en daar wordt het elektrische signaal weer omgezet naar een analoog signaal om de luidspreker aan te sturen...

Ofwel snap ik er ook niks van... haha

[JanusJaap]

Een telefoon met een draadje is analoog. Dat een electrisch signaal met bijna de lichtsnelheid gaat klopt, maar dat mag je niet verwarren met licht/fotonen. Een microfoon wekt een electrisch signaal op, dat via de draad getransporteerd wordt naar bijv. een speaker die het signaal weer omzet in geluid. (omgekeerde microfoon he)

[cdwave]

Het zal wel aan mezelf liggen. maar ik snap het niet.

Probleem is dat het artikel "gejournalistikeerd" is. Door het weglaten van "technische details" die het grote publiek toch niet snapt is de essentie van het artikel verloren gegaan, maar past het wel lekker in een twitterbericht...

[cdwave]

Als ik het originele artikel goed begrijp gaat het helemaal niet om het vertragen, maar juist om de "opslag". Wat ze gemaakt hebben is een geheugen cel die de lichteigenschappen een tijdje kan vasthouden (klinkt niet zo handig, maar je DRAM houdt de data ook maar een milliseconde vast, en moet zichzelf continu herschrijven).

... a memory for digital information that coherently transfers between light and sound waves on a photonic microchip...

Dus hij zet licht om in een acoustische trilling, en met een andere lichtpuls kun je die weer uitlezen. Gezien de opmerking over "multiple wavelengths" slaat hij dan wel meer dan 1 bit op.

Bijzonder hieraan is dus dat hij geen gewoon elektronisch ram gebruikt, en dus ongevoelig is voor allerlei ellende (handig in de ruimte, waar je geheugenchips elk uur wat bits laten vallen door botsende stralingsdeeltjes enzo).

[Mythio]

Wat voor doel zit hier achter? Hebben ze al mogelijke toepassingen in beeld?
Ze hebben het over het verwerken van optische informatie, maar het lijkt mij dat sneller dan beter is of niet? :-)

[Coolstart]

Optical circuits zijn echt wel de toekomst en kan Mores Law verder zetten. Licht is veel efficiënter dan elektriciteit. Maar er zijn veel problemen te overwinnen alvorens uw CPU op licht werkt.

Het voordeel van licht is dat het geen hitte genereert zoals elektriciteit dat doet. De reden waarom onze cpu's en cpu's honderden watts gebruiken is omdat een transistor in open toestand (stroom doorlaten) geen supergeleider is maar een nog steeds super kleine verbruiker. Zet een paar miljarden transistors in uw chip je uw CPU en je verliest al snel veel energie en zo bots je op limieten.

Met licht zou je veel sneller kunnen schakelen (kloksnelheid opdrijven) zonder dat je per definitie meer gaat verbruiken. Je spreekt dan ook niet echt meer van een voltage in uw cpu. (0,1volt = 0 en 2volt = 1) Als er bijna geen licht is heb je een 1 en als er geen licht is heb je een 0. In een zeer ruwe uitvergrote vorm gebeurd dit al in een LCD-scherm.

Onze chips zijn gemaakt op 10nm en het licht heeft 1000nm nodig om vrij te kunnen verplaatsen voor een geschikt medium. Daar zit de grote uitdaging. Key words om dit op te lossen zijn: thin-film polarization, Graphene, carbon nanotubes. Een tussenoplossig zin surface plasmons dat het midden laat tussen licht een elektronen en efficiënter bewegen door koper.

Een ander probleem (beschreven in het artikel) is dat licht fotonen zo snel gaat dat je het even moet vertragen zodat onze reguliere opslagmogelijkheden de kans hebben om de data weg te schrijven of te interpreteren in een cpu. Licht opslaan is nog niet mogelijk en de beste manier op 'opslag' te voorzien is om de boel te vertragen zodat het langer onderweg is.

Natuurlijk daalt uw bandbreedte dan gigantisch maar je kan dat opvangen door veel parallelle processen. In dit geval gaat de vertraging erg efficiënt.

Door de vertraging kan de kabel in zee op full speed blijven werken en de data door vele servers parallel laten verwerken zonder dat er dataverlies optreed. Als je geen vertraging hebt dan zit er niets anders op dan licht kleine burst modes door de kabel te jagen zodat er voldoende down time is.

Bij reguliere elektrische kabels doen ze dat ook (voor andere reden) Als ik me niet vergis wordt er op 165Mhz data verzonden. (relatief traag dus, maar snel genoeg voor 4K etc). Zender en ontvanger spreken om de 1/165000ste seconde af om data te versturen en te ontvangen. Ze weten van elkaar wanneer er ofwel een 1 ofwel een 0 moet aankomen. Als er op het afgesproken tijdstip X geen spanning wordt gemeten op de transistor wordt dat opgeslagen als een 0. Wel spanning = 1. Optische kabels kunnen veel hogere frequenties aan van tientallen Giagahertzen. de 1010010101 rate is zo hoog dat de omvormers (terug data van maken) gewoon niet kunnen volgen, al was het maar dat elektriciteit niet kan functioneren op die hoge frequenties, laat staan schakelen. Vertraging is dus een noodzaak.

meer info over dit topic + filmpje.

[cdwave]

De reden waarom onze cpu's en cpu's honderden watts gebruiken is omdat een transistor in open toestand (stroom doorlaten) geen supergeleider is maar een nog steeds super kleine verbruiker. Zet een paar miljarden transistors in uw chip je uw CPU en je verliest al snel veel energie en zo bots je op limieten.

Da's het "statische" verlies, en dat is doorgaans niet waar die 100W in verdwijnt. Meestal is het statische verlies minder dan 10% van het vermogen.

Elk stukje "draad" in de chip slaat wat elektrische lading op. Om die van logisch "1" naar "0" en terug te brengen, moet je die lading aanbrengen of weghalen, en daarvoor is dus een stroom nodig. Niet veel, maar met miljoenen van deze stukjes lading die een miljard keer per seconde moeten schakelen tikt dat flink aan. Wat je hieraan kunt doen is alles kleiner maken, dan is er minder lading nodig (en dat gaat kwadratisch vanwege oppervlak), je kunt het voltage omlaag brengen (minder stroom nodig om van 0 naar 1 te gaan) en je kunt natuurlijk de schakelfrequentie omlaag brengen (daar wordt je chip wel trager van).

[cdwave]

Bij reguliere elektrische kabels doen ze dat ook (voor andere reden) Als ik me niet vergis wordt er op 165Mhz data verzonden. (relatief traag dus, maar snel genoeg voor 4K etc). Zender en ontvanger spreken om de 1/165000ste seconde af om data te versturen en te ontvangen. Ze weten van elkaar wanneer er ofwel een 1 ofwel een 0 moet aankomen. Als er op het afgesproken tijdstip X geen spanning wordt gemeten op de transistor wordt dat opgeslagen als een 0. Wel spanning = 1. Optische kabels kunnen veel hogere frequenties aan van tientallen Giagahertzen. de 1010010101 rate is zo hoog dat de omvormers (terug data van maken) gewoon niet kunnen volgen, al was het maar dat elektriciteit niet kan functioneren op die hoge frequenties, laat staan schakelen. Vertraging is dus een noodzaak.

Die 165 MHz wordt gebruikt voor DVI op 1920x1200x60Hz resolutie. Dat heeft helemaal niks met dataoverdracht in het algemeen te maken.

High-speed transceivers tussen chips bereiken snelheden rond de 20 gigabit per seconde. Gewoon te koop dus. Dat is dezelfde technologie die wordt toegepast voor SATA (op 6Gbps), PCI-express en USB3 (op 5Gbps). Gewoon koperdraad dus. Er zijn ook al geheugens te koop (hybrid memory cube) die 16Gbps transceivers hebben met 16 van deze lijnen parallel, duur grapje maar dan heb je ook wat...

[Moosenl]

Klinkt nogal vergezocht en onzinnig allemaal.
Geluid gaat met 300 m/s, licht gaat 300.000 km/s, een stroom electronen ook en die verwerken we ook met gigabits/sec in processor en aanverwante artikelen
Raar artikel

[ET-phone-home]

@Moosenl Zie mijn reactie hierboven. Analoog: controle van auto en papieren gaat stukken makkelijker in de file.

[KingFrogzz]

Geluid gaat alleen met 300m/s in lucht, water is bijvoorbeeld al veel sneller (ong. 1.5 km/s), is onder andere afhankelijk van de dichtheid van het medium waar het doorheen moet. Vacuum: geen dichtheid, dus ook geen geluid

Edit: typo

[Reactie gewijzigd door KingFrogzz op 25 juli 2024 08:24]

[Atlantis1995]

Wazig artikel. Het ene moment wordt gesproken over vertraging, het andere moment over verlaging van snelheid van de fotonen. En geluidsgolven lijken mij beperkt. Volgens mist er wat context.

[Verwijderd]

Dan lees je toch gewoon even het origineel?

[Verwijderd]

Wat is het nut hiervan, dit verhaal vind ik niet bijzonder klinken, wat kun je hiermee dan ?

[DirtyBird]

Ik moest gelijk denken aan de 960 fps camerasensor van sony die dat maar 6 milliseconden volhoudt omdat de benodigde snelle opslag zo duur is. Zou deze techniek kunnen worden gebruikt om met 'normale' opslag de data van de sensor te kunnen verwerken of sla ik de plank mis?