Embora a tecnologia óptica seja uma escolha primária no que se refere à transferência de dados, o armazenamento destes ainda resta como um percalço considerável para a adoção de sistemas puramente ópticos. Entretanto, uma nova tentativa foi recentemente empreendida por um grupo de pesquisadores japoneses, cujos esforços chegaram mesmo a se materializar na forma de dois chips de memória ópticos totalmente funcionais.
O dispositivo utiliza cavidades “biestáveis” para armazenar os bits em uma plataforma de silício, de forma que múltiplos bits possam ser controlados simultaneamente por meio de um mesmo “guia de onda” (estrutura física responsável por conduzir ondas eletromagnéticas). No futuro, os pesquisadores esperam que a unidade possa ser utilizada para operações lógicas, aumentando enormemente a velocidade dos processos computacionais.
Uma alternativa para os sistemas óptico-eletrônicos
Inicialmente, entretanto, trata-se de oferecer uma primeira possibilidade para a eliminação de um velho gargalo da computação óptica: os ditos “sistemas híbridos” (simultaneamente ópticos e eletrônicos. Embora as fibras ópticas sejam substancialmente mais rápidas do que os fios de cobre utilizados pela computação tradicional, a configuração dos sistemas atuais torna necessária uma conversão entre processos ópticos e eletrônicos.
Dessa forma, embora o transporte de dados se dê de forma óptica, o seu processamento e armazenamento posterior ainda precisa ser feito por meios eletrônicos. Naturalmente, isso acaba por tirar não apenas velocidade, mas uma das principais vantagens do processamento óptico: a “multiplexação”.
Basicamente, trata-se da possibilidade de se transportar inúmeros phótons simultaneamente por uma fibra, sem que um interfira no outro — o que representa uma largura de banda muito maior do que as dos sistemas eletrônicos. Dessa forma, no sistema híbrido, ainda é necessário “desmultiplexar” os sinais antes que se possa trabalhar com eles — de maneira que um processamento puramente óptico é de grande interesse científico.
O primeiro chip óptico
Naturalmente, a memória RAM é um elemento central em processamentos computacionais, sendo um recurso de armazenamento utilizado de forma imediata (temporário) por programas e processos diversos. No processo eletrônico convencional, os “zeros” e “uns” são guardados pela memória na forma de cargas em capacitores — o que acaba sendo a única solução, mesmo em sistemas que envolvam transferência óptica de dados.
Antes da atual tentativa, entretanto, uma primeira já havia sido empreendida por Masaya Notomi e uma equipe dos laboratórios NTT, em Kanagawa. O grupo conseguiu projetar um chip de memória óptico com quatro bits, forjado em cristal fotônico, cujo formato final era de uma nanoestrutura composta por uma rede de cavidades — as quais permitiam que apenas determinado comprimento de onda passasse, em detrimento de outros.
Imagem de um cristal fotônico registrada por um microscópio SEM (Scanning Eletron Microscope)
As quatro cavidades idênticas possuíam dois índices de refração possíveis — de tal forma que um pulso luminoso ressonante era capaz de alterar o estado das cavidades (mudando de “0” para “1” e vice-versa), enquanto que outro pulso qualquer permitia efetuar uma leitura do referido espaço (sem afetar o estado ali armazenado).
Chip óptico com multiplexação
Entretanto, cada uma das cavidades do primeiro chip era controlada por um guia de ondas específico. Dessa forma, o que os mesmos pesquisadores conseguiram agora foi a confecção de um chip com conceitos bem semelhantes, embora as cavidades dispostas no cristal fotônico atual sejam muito menores e também não idênticas — permitindo a introdução do processo de multiplexação (conforme visto acima).
A ideia se materializou em dois tipos diferentes de memória RAM óptica, sendo um de silício e outro de fosfeto de índio e arseneto de gálio. Em cada uma das memórias, as cavidades foram arranjadas longitudinalmente, sendo que apenas um guia de ondas pode ser utilizado para todas. Com o auxílio de modelagem por computador, os pesquisadores conseguiram garantir que cada cavidade possuísse uma frequência de ressonância diferente.
Por fim, a estrutura possibilitou que os cientistas mandassem um pulso de “escrita” (write) através do guia de ondas, o qual pode conter quaisquer freqüências associadas aos bits cujo estado se quer alterar — sendo que as demais cavidades não vão responder. Dessa forma, garante-se o princípio da multiplexação, já que diversos processos de “escrita” e “leitura” podem ser efetuados simultaneamente.
Estabilidade ainda é um desafio
O chip de memória RAM forjado em silício contém 105 cavidades (cada uma correspondente a um bit), com todos os comprimentos de onda variando entre 1540 nanômetros e 1570 nanômetros. Entre as cavidades, o espaçamento é de apenas 0,23 nanômetro, de forma que a estrutura total tem apenas um milímetro de comprimento. Entretanto, a despeito da estrutura relativamente modesta e do método aprimorado, a estabilidade ainda é um desafio.
De acordo com artigo publicado pela equipe na Nature Photonics, cada uma das cavidades do chip consegue reter um estado (“0” ou “1”) por apenas 10 nanossegundos — período muito curto para uma memória óptica viável. O problema poderia ser contornado no segundo chip, forjado em fosfeto de índio — material que, em teoria, poderia guardar os estados das cavidades por temo indeterminado.
Entretanto, a opção trouxe consigo outro inconveniente: o fosfeto de índio é pouco utilizado na indústria, de forma que os componentes forjados no material são muito menos precisos do que similares em silício. Como resultado, Notomi e seu grupo conseguiu um chip com apenas 28 bits de memória RAM óptica. “Nossa meta é produzir melhores sistemas de fosfeto de índio por meio do aprimoramento dos métodos de fabricação”, disse ele no referido artigo.
Por enquanto, mais lento do que o transistor
Embora expanda consideravelmente os horizontes da computação óptica, a memória RAM do NTT ainda precisa ultrapassar o transistor — tanto no que se refere à velocidade de processamento quanto à viabilidade em forma de produto.
Conforme observou Martin Hill, um professor da Universidade da Austrália Ocidental, embora se trate “de um belo trabalho na difícil área da fotônica”, atualmente, o processo de alteração de estados (de “0” para “1” e vice-versa) nas cavidades ópticas é consideravelmente mais lento do que nos transistores.
Dessa forma, antes que a memória RAM óptica possa ser lançada — trazendo consigo um processo computacional puramente óptico —, ainda é necessário que os pesquisadores descubram uma maneira de otimizar o processo, tornando-o mais previsível e reprodutível.
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