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　　本報記者 華 淩

　　2012年2月，《華爾街日報》曾發表文章《科技變革即將引領新的經濟繁榮》大膽預見：“當今很快將掀起大數據、智慧製造和無線網路革命這三場宏大的技術變革。”而實現的必備途徑之一是要擁有更快的運算速度和長期可靠存儲資訊的裝置。

　　據物理學家組織網近日報道，一個國際研究團隊傳來好消息，他們研發出世界上第一個或可長期存儲數據且完全基於光的存儲晶片。該裝置可使用CD和DVD材料製造，並大大提高計算運作速度。該研究結果發表在最新一期的《自然·光子學》雜誌上。

　　馮·諾依曼瓶頸困擾

　　這個國際研究團隊可謂陣容強大，由英國牛津大學、德國明斯特大學、法國卡爾斯魯厄理工學院和英國埃克賽特大學的材料科學家組成。

　　牛津大學的哈瑞教授説：“現在的電腦在處理器（CPU）和記憶體之間的電子數據傳輸速度相對緩慢。如果限制因素是從記憶體裏來回穿梭的資訊即所謂馮諾依曼瓶頸，使用更快的處理器實際沒有什麼意義。而我們認為採用光可以大大加快這一速度。”

　　馮·諾伊曼瓶頸指在現代電腦中，CPU和記憶體之間的流量（數據傳輸率）與記憶體的容量比起來相當小，在某些情況下，當CPU需要在巨大的數據上運作一些簡單指令時，數據流量嚴重限制了整體效率的發揮。CPU則會在數據輸入或輸出記憶體時閒置。由於CPU速度遠大於記憶體讀寫速率，因此瓶頸問題越來越嚴重。

　　而簡單地採用光子在CPU和記憶體的間壑上架起橋梁並不會出效率，因為需要在每一個末端把它們轉換成電子信號。相反記憶體和處理能力也需要以光為基礎。之前研究人員已經嘗試創建這種光子記憶設備，但結果總是不穩定，因為存儲數據需要電源。而對於許多應用設備如電腦磁片驅動器，帶或不帶電源都能夠無限期地存儲數據是必不可少的。

　　實現長久存儲數據

　　現在，這個國際研究團隊生産出世界上第一個非易失性光學記憶體，採用的是相變材料Ge2Sb2Te5（GST）來存儲數據，其與可擦寫CD和DVD的材料相同。通過使用電子或光學脈衝，這種材料可以被製成無定形狀態，像玻璃或晶體狀態，亦像金屬。研究人員描述了這種設備是利用了一小部分GST的氮化硅即稱為波導來攜帶光。

　　研究證明，強烈的光脈衝通過波導發送可以縝密地改變GST狀態。一道強烈的脈衝可使它瞬間熔化、快速冷卻，令其呈無定形結構；而輕微些的強脈衝會使其進入晶體狀態。

　　接著，當較低強度的光通過波導發送時，在GST狀態的差異會影響光傳輸的多少。該小組測量出當中的差異，以確定其狀態，並在0或1的情況下讀取存在的資訊。

　　研究人員説：“這是至今為止創建的第一個真正的非易失性整合光學存儲裝置。我們已經實現了用現有材料長期保留數據，GST可存放幾十年。”

　　提高計算運作速度

　　該研究團隊在同一時間通過波導發送不同波長的光，這是一種波分復用技術，並且，他們使用單一的脈衝在記憶體同時讀和寫。德國明斯特大學佩尼斯教授解釋説，在理論上，這意味著我們可以一次讀取和寫入數千位的數據。

　　研究人員還發現，不同強度的脈衝可以準確反覆地在GST裏創建無定形和結晶結構的不同混合物。當低強度脈衝通過波導被發送到讀取內容的設備，他們也能夠在透射光裏檢測到細微的差異，允許其能夠可靠地寫入和讀出八個不同組成狀態：從完全結晶狀態到非完全晶態。這種多狀態的能力可以提供給記憶體單元超過通常二進位0和1的資訊，允許一個單一的記憶體存儲幾個狀態，甚至進行計算，而不是在處理器裏進行。

　　巴斯卡蘭教授解釋道：“這完全是一種利用現有成熟材料發揮出的全新功能。這些光位可以用高達1千兆赫的頻率寫入，並提供巨大的頻寬實現當今電腦對於超快速數據存儲的需要。”

　　目前，這個團隊正致力於使這項新技術得到應用。他們特別有興趣的是開發一種新的光電互連，以允許記憶體晶片直接與其他組件使用光，而不是電信號。