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　　本報(bào)記者 華 凌

　　2012年2月，《華爾街日?qǐng)?bào)》曾發(fā)表文章《科技變革即將引領(lǐng)新的經(jīng)濟(jì)繁榮》大膽預(yù)見：“當(dāng)今很快將掀起大數(shù)據(jù)、智能制造和無線網(wǎng)絡(luò)革命這三場宏大的技術(shù)變革?！倍鴮?shí)現(xiàn)的必備途徑之一是要擁有更快的運(yùn)算速度和長期可靠存儲(chǔ)信息的裝置。

　　據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，一個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)傳來好消息，他們研發(fā)出世界上第一個(gè)或可長期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)且完全基于光的存儲(chǔ)芯片。該裝置可使用CD和DVD材料制造，并大大提高計(jì)算運(yùn)行速度。該研究結(jié)果發(fā)表在最新一期的《自然·光子學(xué)》雜志上。

　　馮·諾依曼瓶頸困擾

　　這個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)可謂陣容強(qiáng)大，由英國牛津大學(xué)、德國明斯特大學(xué)、法國卡爾斯魯厄理工學(xué)院和英國?？速愄卮髮W(xué)的材料科學(xué)家組成。

　　牛津大學(xué)的哈瑞教授說：“現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)在處理器（CPU）和內(nèi)存之間的電子數(shù)據(jù)傳輸速度相對(duì)緩慢。如果限制因素是從存儲(chǔ)器里來回穿梭的信息即所謂馮諾依曼瓶頸，使用更快的處理器實(shí)際沒有什么意義。而我們認(rèn)為采用光可以大大加快這一速度?！?/p>

　　馮·諾伊曼瓶頸指在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中，CPU和存儲(chǔ)器之間的流量（數(shù)據(jù)傳輸率）與存儲(chǔ)器的容量比起來相當(dāng)小，在某些情況下，當(dāng)CPU需要在巨大的數(shù)據(jù)上運(yùn)行一些簡單指令時(shí)，數(shù)據(jù)流量嚴(yán)重限制了整體效率的發(fā)揮。CPU則會(huì)在數(shù)據(jù)輸入或輸出存儲(chǔ)器時(shí)閑置。由于CPU速度遠(yuǎn)大于存儲(chǔ)器讀寫速率，因此瓶頸問題越來越嚴(yán)重。

　　而簡單地采用光子在CPU和存儲(chǔ)器的間壑上架起橋梁并不會(huì)出效率，因?yàn)樾枰诿恳粋€(gè)末端把它們轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)。相反內(nèi)存和處理能力也需要以光為基礎(chǔ)。之前研究人員已經(jīng)嘗試創(chuàng)建這種光子記憶設(shè)備，但結(jié)果總是不穩(wěn)定，因?yàn)榇鎯?chǔ)數(shù)據(jù)需要電源。而對(duì)于許多應(yīng)用設(shè)備如計(jì)算機(jī)磁盤驅(qū)動(dòng)器，帶或不帶電源都能夠無限期地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)是必不可少的。

　　實(shí)現(xiàn)長久存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

　　現(xiàn)在，這個(gè)國際研究團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)出世界上第一個(gè)非易失性光學(xué)存儲(chǔ)器，采用的是相變材料Ge2Sb2Te5（GST）來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，其與可擦寫CD和DVD的材料相同。通過使用電子或光學(xué)脈沖，這種材料可以被制成無定形狀態(tài)，像玻璃或晶體狀態(tài)，亦像金屬。研究人員描述了這種設(shè)備是利用了一小部分GST的氮化硅即稱為波導(dǎo)來攜帶光。

　　研究證明，強(qiáng)烈的光脈沖通過波導(dǎo)發(fā)送可以縝密地改變GST狀態(tài)。一道強(qiáng)烈的脈沖可使它瞬間熔化、快速冷卻，令其呈無定形結(jié)構(gòu)；而輕微些的強(qiáng)脈沖會(huì)使其進(jìn)入晶體狀態(tài)。

　　接著，當(dāng)較低強(qiáng)度的光通過波導(dǎo)發(fā)送時(shí)，在GST狀態(tài)的差異會(huì)影響光傳輸?shù)亩嗌?。該小組測量出當(dāng)中的差異，以確定其狀態(tài)，并在0或1的情況下讀取存在的信息。

　　研究人員說：“這是至今為止創(chuàng)建的第一個(gè)真正的非易失性集成光學(xué)存儲(chǔ)裝置。我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了用現(xiàn)有材料長期保留數(shù)據(jù)，GST可存放幾十年?！?/p>

　　提高計(jì)算運(yùn)行速度

　　該研究團(tuán)隊(duì)在同一時(shí)間通過波導(dǎo)發(fā)送不同波長的光，這是一種波分復(fù)用技術(shù)，并且，他們使用單一的脈沖在存儲(chǔ)器同時(shí)讀和寫。德國明斯特大學(xué)佩尼斯教授解釋說，在理論上，這意味著我們可以一次讀取和寫入數(shù)千位的數(shù)據(jù)。

　　研究人員還發(fā)現(xiàn)，不同強(qiáng)度的脈沖可以準(zhǔn)確反復(fù)地在GST里創(chuàng)建無定形和結(jié)晶結(jié)構(gòu)的不同混合物。當(dāng)?shù)蛷?qiáng)度脈沖通過波導(dǎo)被發(fā)送到讀取內(nèi)容的設(shè)備，他們也能夠在透射光里檢測到細(xì)微的差異，允許其能夠可靠地寫入和讀出八個(gè)不同組成狀態(tài)：從完全結(jié)晶狀態(tài)到非完全晶態(tài)。這種多狀態(tài)的能力可以提供給內(nèi)存單元超過通常二進(jìn)制0和1的信息，允許一個(gè)單一的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)幾個(gè)狀態(tài)，甚至進(jìn)行計(jì)算，而不是在處理器里進(jìn)行。

　　巴斯卡蘭教授解釋道：“這完全是一種利用現(xiàn)有成熟材料發(fā)揮出的全新功能。這些光位可以用高達(dá)1千兆赫的頻率寫入，并提供巨大的帶寬實(shí)現(xiàn)當(dāng)今計(jì)算機(jī)對(duì)于超快速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要?！?/p>

　　目前，這個(gè)團(tuán)隊(duì)正致力于使這項(xiàng)新技術(shù)得到應(yīng)用。他們特別有興趣的是開發(fā)一種新的光電互連，以允許存儲(chǔ)器芯片直接與其他組件使用光，而不是電信號(hào)。