Wetenschappers lezen geheugen uit met licht

Onderzoekers hebben een nieuw type geheugen ontwikkeld dat met behulp van licht kan worden uitgelezen. Daarmee zou het geheugen duizenden malen sneller kunnen worden uitgelezen dan conventionele opslagmedia.

De onderzoekers maken gebruik van een materiaal dat bismutferriet heet. Dat kan twee polarisatietoestanden aannemen, die gebruikt kunnen worden als representatie van een 0 of een 1. Door het aanbrengen van een spanning kan tussen de twee polarisatietoestanden geschakeld worden, maar voor het uitlezen van de data is deze techniek ongeschikt, aangezien de aangebrachte spanning tegelijk de bits wist. Twee wetenschappers van de universiteiten van Berkeley en Singapore hebben daar een oplossing voor gevonden.

Bismutferriet is niet alleen gevoelig voor elektrische spanningen, maar reageert ook op zichtbaar licht. Het materiaal genereert spanning als het door licht beschenen wordt en die spanning is afhankelijk van de polarisatie van het bismutferriet. De opgewekte spanning kan weer door elektrodes worden uitgelezen. Daarbij wordt de polarisatie, en daarmee de opgeslagen data, niet gewijzigd. De twee onderzoekers maakten een prototype met zestien geheugencellen en beschreven de geheugencellen met elektrodes van metaaloxide en metaal.

Het beschrijven van het geheugen door de polariteit van het bismutferriet te veranderen vergde slechts 3V, terwijl nand-cellen ongeveer 15V vergen. Bovendien kost lezen en schrijven naar de bismutferriet-cellen slechts 10 nanoseconde, terwijl dat bij flashgeheugen duizenden malen langer duurt. Twee uitdagingen resteren de onderzoekers nog: het verkleinen van hun geheugencellen, die nu nog in de orde van micrometers groot zijn, en het ontwikkelen van een belichtingssysteem dat individuele geheugencellen en niet de buurcellen belicht.

Reacties (32)

Het beschrijven van het geheugen door de polariteit van het bismutferriet te veranderen vergde slechts 3V, terwijl nand-cellen ongeveer 15V vergen. Bovendien kost lezen en schrijven naar de bismutferriet-cellen slechts 10 nanoseconde, terwijl dat bij flashgeheugen duizenden malen langer duurt.

Dat is onjuist. Als ik kijk naar het bronartikel denk ik dat ze heel 'creatief' het net zo hebben opgeschreven dat je er in zou kunnen lezen dat het eerst schrijven, en vervolgens lezen, duizenden malen sneller gaat. Want lezen van flash cellen is wat trager dan 10ns, maar nou niet heel erg veel. Schrijven is inderdaad wel heel veel trager.

Als ze individuele cellen moeten belichten zullen ze qua formaat ook nooit in de buurt van flash cellen komen: Die zijn simpelweg een stuk kleiner dan de golflengte van licht. Sowieso is dan nog de vraag hoe je het licht naar een enkele cel laat gaan. Je kan een LED per cel erin stoppen, maar of dat nou het handigste is. Je hebt ook wel on-chip optische schakelaars. Echter behalve dat die extreem gevoelig zijn, als je er verkeerd naar kijkt doen ze het niet meer, zijn ook die gebonden aan de golflengte van licht.

En laten we wel wezen, er wordt heel veel meer aangekondigd dan dat er uiteindelijk op de markt komt. Phase-change geheugen wordt al minstens 10-jaar als het walhalla van geheugen genoemd, en nu net komen de eerste paar phase-change geheugens op de markt, en het is nog niet bepaald dat ze flash wegdrukken. Sowieso zal deze techniek dus moeten concurreren met phase-change geheugen.

[Reactie gewijzigd door Sissors op 13 juni 2013 16:09]

Denk dat een aanvullende uitdaging wordt om het hele mechanisme dusdanig te verkleinen dat het hetzelfde (of minder) volume innneemt dan conventioneel DDR3 geheugen of (hybride) SSD-oplossingen. Ik weet niet veel van licht maar weet wel dat het effectief begeleiden van licht op zeer kleine oppervlakten erg lastig is omdat het niet "zomaar" 90 of 180 graden gedraaid kan worden.

Ook kan ik me voorstellen dat de snelheid van lezen/schrijven volledig overbodig is zolang de rest van de infrastructuur, zoals de PCI-e bus, maar een factor xx lager kan transporteren.

Maar als het duizenden malen sneller uitgelezen en beschreven kan worden, hoeven ze niet perse de dichtheid te hebben van conventionele geheugen modules om concurrerend te zijn.

misschien niet dezelfde dichtheid, maar als ik het artikel zo lees en ze spreken over micrometers ipv nanometers, gok ik dat dat je nog een eind weg bent van een bruikbare hoeveelheid geheugen op het formaat dat in je laptop past.

Stel: Deze techniek kan 16 bits kwijt op 100 vierkante micrometer (10x10 micrometer). Dat zou betekenen dat het per cm: 1/(10*10^-6) = 100000 bits of 12500 bytes passen -> per cm2 zou dat uitkomen op grofweg 156 MB, dus maar een paar GB op een formaat SSD.

je berekening is helaas mer vierkante meter het verschil tussen cm en um is 10^4... Niet 10^6 Wat dus een verschil van een factor 10.000 oplevert, oftewel het zal nog wel even duren voordat die factor opgelost is

Maar gezien het plaatje zijn er dan toch meer mogelijkheden beschikbaar dan alleen 0 en 1?
Door het kleurverschil en de drie niveau's die zichtbaar zijn krijg je toch een mogelijkheid erbij om de tijd te meten, waardoor kleur + tijd ook een optie kan zijn?

...
Dat kan twee polarisatietoestanden aannemen, die gebruikt kunnen worden als representatie van een 0 of een 1.
...
Bismutferriet is niet alleen gevoelig voor elektrische spanningen, maar reageert ook op zichtbaar licht. Het materiaal genereert spanning als het door licht beschenen wordt en die spanning is afhankelijk van de polarisatie van het bismutferriet.
...

Dit molecuul, bismutferriet, heeft dus twee verschillende polarisatie toestanden. In beide toestanden weerkaatst bismutferriet het licht anders. Hierdoor kan je dus onderscheid maken in een 1 of een 0, maar niet meer, omdat dat molecuul zich maar in twee toestanden kan bevinden.

Die niveau's kun je even vergeten, die hebben er niet zo veel mee te maken (wat niet betekend dat ze niet belangrijk zijn). Het gaat om dat bismutferriet, dat in de afbeelding is uitgebeeld als rode en blauwe vlakken (dus in twee verschillende polarisatie toestanden), nu uitgelezen kan worden met licht, en dat is een doorbraak.

Die drie lagen zijn trouwens nodig om stroom naar het bismutferriet te krijgen, zodat je ook kan data schrijven (lees: Polarisatietoestanden veranderen).

[Reactie gewijzigd door Balance op 13 juni 2013 15:40]

Nee.
De data is opgeslagen als + of -. Niet in rood en blauw. Dat is alleen in het plaatje zo getekend omdat polarisatie niet zichbaar is.
Door er licht op te schijnen gaat er een spanning lopen, die uitgelezen kan worden.
Uit die uitgelezen spanning kun je dan afleiden of er een + of - (1 of 0) op de cell staat.

Ik zie alleen maar 0 en 1? (Rood/blauw). Het "bruin" lijkt me niets anders dan "grondplaat". En dat rood/blauw lijkt me niets anders dan een "grafische representatie" van 0/1; ik neem aan dat 't materiaal niet van kleur verandert (sterker: het artikel zegt al dat enkel de polarisatie verandert).

[Reactie gewijzigd door RobIII op 13 juni 2013 15:41]

De niveaus die je ziet zijn de 'elektroden' om het zo maar te zeggen. De kleur geeft de toestand van de cellen aan, maar je ziet in het echt de kleur niet. Dit is om het plaatje te verduidelijken.
Ik snap niet hoe je tijd wilt meten en gebruiken.... Welke tijd is niet duidelijk in jouw uitleg. Maar ik zie in dit geval ook geen enkele mogelijkheid om tijd te gebruiken.

Waarom is het relevant dat alleen bepaalde cellen belicht worden? Belichten tast de data niet aan, het zorgt alleen voor een spanning die opgepikt kan worden met elektrodes. Waarom belicht je dan niet constant de hele array, en lees je gewoon de juiste elektrodes af wanneer dat nodig is?

Tenzij er meerdere cellen aan 1 elektrode hangen..... Dan moet je wel de juiste belichten

Nee, hoeft niet. NAND cellen die "aan" staan geven ook constant een voltage af. Het zou dus niet uit moeten maken of je ze allemaal belicht of alleen de cellen die je wil uitlezen.

Dus eigenlijk Glasvezelgeheugen (werkwijze)? Moet ik dit zo zien?

JA als je bedoelt dat iets "met snelheid van licht"gedaan wordt, NEE als je technieken wilt vergelijken. Glasvezel is een transport medium, hier gaat het om een opslag medium, dat is een wezenlijk verschil.

Extern geheugen!

Als dit duizenden malen sneller is dan flashgeheugen is het niet erg om via een externe aansluiting (weet niet welke snel genoeg is) / 'verloopkabel van je geheugensocket naar een extern device' een kastje bij je pc te zetten met geheugen. Een soort externe harddisk maar dan aansluiten op je geheugensocket De voordelen van zo'n snel geheugen zal enorm zijn als je daar supersnel grote cadtekeningen in kan laden of video-editing. Toch?

jammer dat de rest van je computerhardware nog niet zo snel is als de schijf die er op aansluit.

Een SSD is i.c.m. normaal RAM al snel genoeg om de CPU bijna altijd van voldoende data te voorzien. Een aangezien dit systeem een pure proof-of-concept is (16 bits geheugen, en die zijn enorm groot gemaakt) zal voorlopig er niets uitkomen.

Nou dat valt nog behoorlijk tegen hoor. Het verschil tussen een sata SSD en een PCIe SSD is nog behoorlijk groot. Zeker wat random acces betreft. Een methode die dus 1000-en keren sneller is dan toch altijd welkom hoor. Die cpu's worden binnen afzienbare tijd een stuk sneller.

dat was ook mijn eerste gedachte

We leuke vooruitgang. Ondanks dat er al wel bekend was dat er opslag plaats kon vinden in BFO. Maar nu met deze oplossing kan de opslag ook uitgelezen worden zonder dat het verloren gaat.

Ben benieuwd wanneer dit in de praktijk gebracht kan worden. Ik denk dat we helaas wat jaren moeten wachten.

Is het lezen van een boek niet eigenlijk hetzelfde: immers het uitlezen van (schriftelijk) geheugen met behulp van licht en speciale lichtgevoelige cellen (je ogen) . En dat al sinds duizenden jaren!

[Reactie gewijzigd door Garyu op 13 juni 2013 16:17]

Als reactie op MAX3400

Ook kan ik me voorstellen dat de snelheid van lezen/schrijven volledig overbodig is zolang de rest van de infrastructuur, zoals de PCI-e bus, maar een factor xx lager kan transporteren.

Ik denk dat je de winst dan ook niet moet zien in de snelheid van het lezen maar meer in het "real-time" wegschrijven plus het feit dat er minder vermogen mee gepaard gaat.

Wat betreft lezen blijf je altijd afhankelijk van de zwakste schakel, niet voor niets bestaan er buffers.

[Reactie gewijzigd door Maddog McHare op 13 juni 2013 15:33]

Maar hoe zit dit dan met de snelheid na de verloop na tijd? Een SSD wordt na de tijd ook langzamer.

Deze heeft maar 16 bits. Garbage collection zal dus niet zomoelijk zijn

SSD word langzamer omdat het bestaande data optimaal verdeeld zodat alle cellen evenveel gebruikt worden. Ze slijten namelijk bij het wissen. Bepaalde bestanden veranderen (bijna) nooit, dus deze cellen worden (bijna) nooit gewist. Daarom worden deze bestanden af en toe verplaatst zodat andere cellen niet zo snel slijten.

Of dat hier ook nodig is? Er is volgens mij weinig slijtage, dus ook geen reden om bestanden te herverdelen.

Hebben ze de CD opnieuw uitgevonden?