光存储系统导论

逍遥设计自动化

引言
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- N' C! r9 I7 X1 G* v随着计算能力需求的持续增长，电子系统的局限性日益显现。这些局限主要来自电传输线路的固有损耗机制以及数字处理器中有限的时钟频率。光学系统作为替代方案具有多项优势，包括大带宽、低信号损耗以及多种复用能力。

当前的主要挑战在于光处理系统中的数据存储。虽然光技术在通信和计算领域取得了显著进展，但数据存储仍主要依赖电子存储器。这在光处理系统中形成了基本瓶颈，因为数据需要在光学和电子域之间，以及模拟和数字格式之间进行多次转换[1]。
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图1：光处理器中电子和光学存储器接口的对比，展示了(a)需要多次转换的传统电子存储方法，以及(b)可直接处理光学数据的集成光存储系统。
光学存储技术的发展

) S! N$ i- F( v+ y4 ^研究人员已经探索了多种光学存储方法。这包括使用耦合微盘和微环激光器的静态易失性存储器、马赫-曾德干涉仪中的半导体光放大器，以及带有埋入式腔的光子晶体。动态易失性存储器则通过循环光纤环路和掺杂光纤实现。
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在非易失性存储方面，相变材料(PCMs)显示出很好的应用前景，可以通过短脉冲在晶态和非晶态之间切换来实现数据的写入和擦除。然而，PCMs面临一些挑战，包括需要后期加工处理、相对较慢的写入/擦除时间（数百纳秒），以及有限的编程循环次数。
5 l- {/ K2 g* J3 f) J1 t通用光学逻辑门：光存储的基础

' P9 z/ G2 g/ I6 H- _: t使用微环调制器(MRMs)实现的通用光学逻辑门(UOLGs)为构建更复杂的光存储系统奠定了基础。

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图2：通用光学逻辑门展示了(a)光NOR线路设计，(b)NOR传输谱，(c)光NAND线路设计，(d)NAND传输谱，(e)SR锁存器示意图及真值表，以及(f)使用交叉耦合NOR门的实现方案。

# {, h2 J3 e! S6 Z3 Q! KNOR和NAND门利用了MRMs的非线性电光响应。在NOR门配置中，两个光输入耦合到独立的MRMs，其输出通过Y型结合。第三个MRM具有独立的供给光，执行NOT操作，完成NOR功能。NAND门遵循类似原理，但具有不同的初始偏置条件和信号处理方式。
在可编程光子平台上实现光存储
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使用商用的iPronics SmartLight处理器（一种可编程硅基光电子平台）展示了光存储系统的实用性。
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" k" G& \) x* X, \7 L: M图3：在硬件网格上实现NOR/NAND门，展示了(a)可编程MZI网格的物理布局和(b)在不同输入条件下稳定的门操作实验结果。

) @" V4 g/ O4 h2 Z9 j4 v硬件由2×2马赫-曾德干涉仪(MZIs)网格组成，每个MZI包含两个50/50方向耦合器和热相移器。这种排列允许对光路径进行可编程分割比控制。
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& q  `3 i# u& P9 R' {图4：光SR锁存器实现，展示了(a)带耦合UOLGs的模拟器网格配置和(b)演示成功的置位、复位和锁存操作的模拟结果。
7 I5 U* B6 |/ A1 U8 r实际应用与展望
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' K, L0 p9 p, i) u开发的光存储系统具有以下几个关键优势：
系统实现了皮秒级响应时间，对应数十吉赫兹的工作频率，比传统电子存储系统有显著提升。
4 T* \7 v4 l: ^6 v8 L# ]能源效率明显改善，光存储单元四个驱动器的能耗约为400 fJ/bit，而传统电子数据传输和转换至少需要3.5 pJ/b。
该架构与波长分复用(WDM)兼容，支持并行数据处理和存储，可能在单个锁存单元中存储多个数据位。
9 T, I! F$ D% Q1 e4 g4 h! X7 b该技术与现有硅基光电子平台的兼容性确保了可扩展性和实用的制造性，使其成为新一代光处理系统的实用解决方案。
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这项技术进展代表了向完全集成的光计算系统迈进的重要一步，数据可以完全在光学域中进行处理和存储，消除了能量密集型的光电信号转换需求。
参考文献
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[1] F. Ashtiani, "Programmable photonic latch memory," Optics Express, vol. 33, no. 2, pp. 3501-3510, Jan. 2025.
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& Q/ F! {/ o' c7 V( U! k深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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