Parallel Spatial Photonic Programming of Optoelectronic IGZO RRAM with a compact $\mu$LED Array

Computers van tegenwoordig zijn gebouwd op een logica die het denken scheidt van het onthouden. In het standaardontwerp dat decennialang is gebruikt, berekent een processor een resultaat en stuurt dat resultaat vervolgens naar een aparte geheensunit om het op te slaan, voordat het voor de volgende stap weer wordt opgehaald. Dit constante heen en weer slepen van gegevens creëert een flessenhals, wat systemen vertraagt en enorme hoeveelheden energie verbruikt, vooral bij het proberen de complexe, parallelle verwerking van het menselijk brein na te bootsen. Om dit op te lossen, ontwikkelen wetenschappers een nieuw soort hardware die geheugen en verwerking combineert in één enkel apparaat, vergelijkbaar met de synapsen in ons eigen zenuwstelsel. Deze apparaten, vaak memristors genoemd, kunnen hun interne weerstand veranderen om informatie op te slaan, waardoor ze effectief eerdere inputs onthouden. Terwijl traditionele versies elektriciteit gebruiken om dit geheugen te schrijven en te wissen, ontstaat er een nieuwere grens waarbij licht zelf wordt gebruikt om deze apparaten te programmeren. Deze aanpak belooft de snelheid en parallelliteit van optica direct in het hart van geheugenchips te brengen, wat potentieel computers in staat stelt om visuele informatie te verwerken terwijl deze wordt waargenomen, zonder de vertraging van het eerst omzetten van licht in elektrische signalen.

In een recente studie hebben onderzoekers van de Universiteit van Strathclyde en de Universiteit van Edinburgh een belangrijke stap gezet richting dit doel door een systeem te creëren dat een compacte array van minuscule lichtgevende diodes gebruikt om patronen van informatie op een rooster van lichtgevoelige geheugencellen te schrijven. Het team richtte zich op een specifiek type materiaal genaamd indiumgalliumzinkoxide, een halfgeleider die van elektrische eigenschappen verandert wanneer deze aan licht wordt blootgesteld. Ze bouwden kleine, tweeterminale apparaten met behulp van lagen van dit materiaal, waarbij ze er drieëndertig op een enkele chip arrangeerden. Om deze apparaten te besturen, gebruikten ze geen enkele laserstraal of een complexe optische opstelling, maar eerder een op maat gemaakte micro-LED-array. Deze array bestaat uit honderden kleine lichtbronnen, die elk afzonderlijk aan of uit kunnen worden geschakeld, en fungeert als een digitale projector die licht direct op specifieke punten op de chip kan projecteren.

De onderzoekers ontdekten dat het schijnen van blauw licht van deze micro-LED's op de geheugencellen een dramatische en controleerbare verandering in hun elektrische weerstand veroorzaakte. Wanneer het licht het materiaal raakte, daalde de weerstand, waardoor er effectief een nieuwe staat in het apparaat werd "geschreven". Dit proces was het tegenovergestelde van wat er gebeurde wanneer ze alleen elektriciteit gebruikten; het toepassen van een negatieve elektrische spanning verhoogde de weerstand. Door deze twee methoden te combineren, demonstreerde het team een hybride systeem waarbij licht de geheugenstatus kon instellen en elektriciteit deze kon resetten. Dit tegenwerkende mechanisme stelde hen in staat om het gedrag van het apparaat nauwkeurig af te stemmen, waardoor een systeem ontstond dat met licht geprogrammeerd kon worden en met een elektrische puls kon worden gewist. De studie toonde aan dat de door licht geïnduceerde veranderingen niet slechts momentaan waren; de apparaten hielden de informatie een verrassend lange tijd vast, waarbij ze langzaam herstelden over enkele minuten. Dit trage herstel bootst een biologisch concept na dat bekend staat als vervagend geheugen (fading memory), waarbij een geheugen van een recente gebeurtenis blijft hangen voordat het uiteindelijk verdwijnt, een kenmerk dat zeer wenselijk is voor systemen die sequenties van gebeurtenissen in de loop van de tijd moeten verwerken.

Om te bewijzen dat dit systeem complexe taken kon uitvoeren, testte het team het vermogen om patronen te onthouden. Ze programmeerden een sequentie van vier bits aan informatie, waarbij elke bit werd gerepresenteerd door een flits van licht of de afwezigheid daarvan. Omdat het geheugen langzaam vervaagde, was de staat van het apparaat aan het einde van de sequentie een mengeling van alle vier de inputs. Door de uiteindelijke weerstand te lezen, konden ze verschillende vier-bits patronen met hoge nauwkeurigheid onderscheiden. Dit bewees dat een enkel apparaat als een temporele encoder kon fungeren, die de geschiedenis van de lichtpulsen die het ontving, onthield. De onderzoekers schaalden dit vervolgens op en lieten zien dat ze vier verschillende geheugencellen tegelijkertijd konden programmeren met behulp van vier verschillende micro-LED's. Ze projecteerden diverse ruimtelijke lichtpatronen op de chip, en elke cel reageerde alleen op het licht dat erop viel, zonder interferentie van de buren. Deze parallelle operatie bewees dat het systeem er in staat was om volledige afbeeldingen of datamatrices in een enkele flits op de chip te schrijven, in plaats van ze bit voor bit te schrijven.

Het succes van dit experiment berust op de specifieke manier waarop het licht met het materiaal interageert. De indiumgalliumzinkoxide-lagen die in de apparaten worden gebruikt, bevatten kleine defecten waar zuurstofatomen ontbreken. Wanneer blauw licht het materiaal raakt, energetiseert dit de defecten, waardoor elektronen vrijkomen die vrij kunnen stromen en de weerstand verlagen. Wanneer het licht wordt weggenomen, raken de elektronen langzaam weer gevangen en kruipt de weerstand weer omhoog. De onderzoekers ontdekten dat ze konden controleren hoeveel de weerstand veranderde door de helderheid, duur en frequentie van de lichtpulsen aan te passen. Ze ontdekten ook dat het verhitten van het materiaal tijdens de productie de reactie veranderde, waardoor ze het apparaat konden afstemmen voor betere prestaties. Door een hoogwaardig microscoopobjectief te gebruiken om het licht van de micro-LED's te focussen, zorgden ze ervoor dat het licht de minuscule geheugencellen met precisie raakte, waardoor de kans minimaliseerde dat één cel een andere zou beïnvloeden.

Dit werk benadrukt een praktisch pad voor neuromorfische computing, waarbij de hardware zelf is ontworpen om informatie te verwerken zoals een brein dat doet. Door licht te gebruiken om het geheugen te programmeren, vermijdt het systeem de warmte- en energiekosten die gepaard gaan met het verplaatsen van elektrische stromen door draden. Het vermogen om ruimtelijke patronen direct op een chip te schrijven suggereert dat toekomstige apparaten kunnen worden geïntegreerd met camera's of sensoren, waardoor ze visuele gegevens direct kunnen verwerken zodra deze binnenkomen. De onderzoekers toonden aan dat hun aanpak schaalbaar is, wat betekent dat dezelfde principes kunnen worden toegepast op veel grotere arrays van geheugencellen. Hoewel de huidige opstelling een specif kind type licht en een specifiek materiaal gebruikt, opent het onderliggende concept van het gebruik van licht om geheugenstaten te controleren de deur naar een nieuwe generatie computers die sneller, efficiënter en in staat zijn om de enorme datastromen van de moderne wereld aan te kunnen. De studie bevestigt dat licht niet alleen een manier is om informatie te verzenden, maar een krachtig instrument om het geheugen van een machine vorm te geven.