La première puce de stockage basée sur de la lumière, et pouvant stocker des données en permanence, a été développée par des scientifiques de l'Université d'Oxford, en collaboration avec des scientifiques d’Exeter, de Karlsruhe et de Münster. Cette puce, construite avec des matériaux utilisés dans les CD et DVD réinscriptibles, pourrait aider à considérablement améliorer la vitesse de transfert des données dans les ordinateurs modernes.
En effet, ceux-ci sont ralentis par des débits de transfert de données entre le processeur et la mémoire relativement lents. « Il est inutile d'installer des processeurs plus rapides lorsqu'il existe une sorte de frein dans le transfert des informations vers et depuis la mémoire – connu sous le nom de goulot de Von Neumann », explique le professeur Harish Bhaskaran, qui a dirigé les recherches. "Mais nous pensons que la lumière peut accélérer considérablement le transfert".
Cependant, le seul contournement de ce goulot d’étranglement Processeur / Mémoire par l’utilisation de photons ne serait pas suffisant, car les données devraient d'abord être converties en signaux optiques puis, après le transfert, reconverties en signaux électroniques. Pour améliorer les taux de transferts, la mémoire et le processeur doivent donc être capable de gérer également les signaux lumineux.
Les chercheurs ont essayé à plusieurs reprises de développer une telle mémoire photonique, mais les données stockées étaient toujours volatiles, ce qui signifie que de l'énergie est nécessaire pour « fixer » les données. Pourtant un disque dur doit pouvoir stocker des données indéfiniment, avec ou sans alimentation électrique.
Une équipe internationale de chercheurs comprenant des scientifiques de l’université d’Oxford a pourtant réussi à produire la première puce de stockage mémoire photonique non-volatile. Cette puce utilise le matériau de changement de phase Ge2Sb2Te5 (GST), également utilisé pour les CD et DVD réinscriptibles. Ce matériau peut adopter un état amorphe (comme le verre) ou un état cristallin (comme le métal), que des impulsions électriques ou optiques soient utilisées ou non. Les chercheurs utilisent une petite zone de la GST appelée « guide à ondes » pour transporter les impulsions lumineuses.
L'équipe a montré que des impulsions lumineuses intenses envoyées par le guide à ondes peuvent changer l'état de la GST. Une impulsion intense fait fondre brusquement le matériau qui se refroidit ensuite rapidement, en adoptant une structure amorphe. Une impulsion légèrement moins intense pouvant le transformer en un état cristallin. Les deux états résultent plus tard, lorsque la lumière est transmise avec une intensité beaucoup plus faible via le guide à ondes, selon l'état, en la création d’information sous forme de "1" ou "0". "C'est la première véritable mémoire optique non volatile", explique Clarendon Scholar et Carlos Ríos. "Et nous avons même été en mesure d'atteindre notre objectif avec des matériaux communs connus pour la conservation de données longue durée".
En transmettant simultanément de la lumière avec différentes longueurs d'onde, l'équipe a également montré qu'elle pouvait utiliser une seule impulsion pour écrire et lire des données simultanément. "En théorie, cela signifie que nous pouvons lire et écrire des milliers de bits en même temps, ce qui promet une bande passante presque illimitée", explique le professeur Wolfram Pernice de l'université de Münster, en Allemagne.
Les chercheurs ont également constaté que des impulsions fortes de différentes intensités produisent exactement, et de manière répétée, différents mélanges de structure amorphe et cristalline à l’intérieur de la GST. Lorsque des impulsions faibles ont été envoyées à travers le guide à ondes pour lire le contenu de la mémoire, elles peuvent détecter des différences subtiles dans la lumière transmise. Ainsi, les chercheurs ont pu produire huit compositions différentes - de complètement cristallines à complètement amorphes - et les stocker sur ces données puis les lire à nouveau. Cette capacité à obtenir plusieurs états pourrait fournir aux unités de stockage plus que l'information binaire habituelle de 0 et 1 de telle sorte qu'un seul bit de mémoire puisse stocker plusieurs états, voire même effectuer des calculs lui-même, libérant ainsi le processeur.
"C'est un tout nouveau type de fonctionnalité avec des matériaux éprouvés", explique le professeur Bhaskaran. "Ces bits optiques peuvent être décrits à des fréquences allant jusqu'à un gigahertz, offrant des largeurs de bande gigantesques, ce qui est le type de stockage de données ultra-rapide dont l'informatique moderne a besoin".
En attendant, l'équipe travaille sur une série de projets qui utiliseront cette nouvelle technologie. Ils sont particulièrement intéressés par le développement d'une nouvelle liaison électro-optique qui permet aux puces mémoire de se connecter directement à d'autres composants à l'aide de signaux légers plutôt qu’électriques.
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