29. Mai 2019

Fraunhofer HHI-Technologie in rein optischer RAM-Zelle der Aristoteles-Universität Thessaloniki

Die Entwicklungen in der Computerindustrie haben ermöglicht, dass die Prozessorleistung seit Jahren exponentiell wächst. Diese Entwicklung wirft das grundlegende Thema der „Memory Wall“ auf. Sie begrenzt die wachsende Geschwindigkeit des chipbasierten Direktzugriffsspeichers (RAM). Die Memory Wall erzwingt einen eingebauten Engpass. Infolgedessen laufen Aspekte des CPU-Speicheraustausches wie Datenpufferung und Nachschlageoperationen deutlich langsamer. In einer Ära der großen Datenmengen und der Kommunikation mit hoher Bandbreite wird dieses Problem nur noch dringlicher werden.

Ein Forschungsteam der Aristoteles-Universität Thessaloniki, Griechenland, arbeitet an einer Lösung mit Fraunhofer HHI-Technologie. Es wurde eine auf Optik basierende Architektur entwickelt, die es ermöglicht, die Speicherwand zu durchbrechen. Vor kurzem präsentierte das Team eine rein optische RAM-Zellenarchitektur, die in der Lage war, die Geschwindigkeit von elektronischen RAMs zu verdoppeln. Was diesen Ansatz so effektiv macht, ist, dass das Team die optische Wellenlänge verwendet. In der Vorrichtung werden die inversen Signale bei zwei verschiedenen Wellenlängen erzeugt für Bit und λ2 für Bitbar - und über einen einzigen Kanal gesendet, wobei der Zufallszugriff durch ein schnelles optisches Push-Pull-Gate gesteuert wird.

Das Proof-of-Concept-Gerät verwendet einen Chip, der mit Hilfe des Fraunhofer HHI designt wurde. Es besteht aus einer einzigen optischen RAM-Zelle. Diese Zelle beinhaltet einen optischen Halbleiterverstärker Mach-Zehnder-Interferometer (SOA-MZI), der als Zugangsgate fungiert. Dieses Gate ist über ein Arrayed Waveguide Grating (AWG) mit einer Indium-Phosphid Set-Reset optischen Flip-Flop-Einheit verbunden. Es konnte alle vier wichtigsten RAM-Operationen demonstrieren: Lesen, Schreiben und Zufallszugriff. Dies geschah mit der doppelten Rate vergleichbarer Geräte - Raten von etwa 10 Gbit/s.

Derzeit hat dieses Proof-of-Concept-Gerät jedoch einen größeren ökologischen Fußabdruck und einen höheren Pro-Bit-Energieverbrauch als elektronische Alternativen. Mit Hilfe der photonischen Integration wollen die Forscher diesen Fehler beheben. Eine Lösung könnte darin bestehen, den Speicher im rein optischen Bereich zu halten, was die Notwendigkeit einer solchen Umwandlung in und aus dem Speicher eliminieren würde. Dies könnte durch den Austausch der optischen Halbleiterverstärker auf dem Chip durch integrierte photonische Technologien und Materialien wie photonische Kristalle und Phasenwechselspeicher erreicht werden.

Anwendungsgebiete sind Hochleistungscomputer und High-End-Router sowie die Beschleunigung von pseudo-random binary sequence (PRBS) Generatoren für Test und Verschlüsselung.

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Das Fraunhofer HHI bedankt sich für die Förderung durch das BMBF „Forschungsfabrik Mikroelektronik".