摘要：这个设计的核心，就是将两种关键材料“强绑定”在一起。一方是铁电材料——锆掺杂的氧化铪，它是一种成熟的、能够与现有芯片制造工艺无缝兼容的记忆材料。另一方，则是光学平台——绝缘体上铌酸锂薄膜，这是光学界的明星材料，以其卓越的线性电光效应而闻名。

编辑：康康

人工智能高速发展的浪潮之下，我们一边惊叹于其强大的能力，一边也为其惊人的“饭量”感到焦虑。

ai芯片的功耗正在失控般地冲向单片1000瓦的关口，而其中大部分能量并非消耗在真正的计算上，而是浪费在了数据的“搬运”途中。

如何减少功耗就成了，就成了ai领域的头等大事，而这个难关似乎已经有了最新解法......

Pockels光子存储器的核心魅力，在于其设计上的一种协同艺术，它让几种看似不相干的材料和物理效应，像一支配合默契的乐队一样协同演奏。

它的底层创新，源自一种巧妙的三维异构集成设计。

这个设计的核心，就是将两种关键材料“强绑定”在一起。一方是铁电材料——锆掺杂的氧化铪，它是一种成熟的、能够与现有芯片制造工艺无缝兼容的记忆材料。另一方，则是光学平台——绝缘体上铌酸锂薄膜，这是光学界的明星材料，以其卓越的线性电光效应而闻名。

团队将它们以一种“三明治”的结构堆叠起来：最底层是铌酸锂波导，光在这里穿梭。中间是氧化铟镓锌（IGZO）沟道和HZO铁电栅。最顶上则是ITO顶栅。

这种结构的关键巧思在于，所有覆盖在铌酸锂上方的材料，其折射率都经过精心设计，全部低于铌酸锂本身。

这个设计原则听起来简单，但效果却立竿见影。它就像给光波导加了一层“结界”，将光场牢牢地限制在铌酸锂内部，避免了能量的散射损耗，从而让光与电场的相互作用效率达到最大化。这为后续的高效操作打下了坚实的基础。

更绝的是其内部物理机制的“攻守同盟”。当需要写入数据时，研究人员会施加一个负电压脉冲。这个脉冲就像一道指令，让HZO内部的偶极子“立正看齐”，发生极化。

巧妙的是，这个极化方向恰好与下方铌酸锂材料自身的自发极化方向“结盟”，形成了一个极其稳定的状态。HZO极化后产生的剩余电场，会直接通过Pockels效应改变下方铌酸锂波导的折射率，从而改变光的传播状态。数据就这样被“刻”进了光里。

而当需要复位时，一个正电压脉冲登场。此时，中间的IGZO沟道层扮演了一个“电场过滤器”的角色，其内部的载流子会屏蔽掉部分电场，帮助HZO的极化方向实现反转。

更有意思的是，当撤去电压后，下方铌酸锂的自发极化场会反过来“校正”一下HZO，使其回到一个不多不少、恰到好处的初始“reset态”。

这一“攻”一“守”的精妙配合，保证了整个器件操作的高度稳定性和可重复性。它不再是简单的材料堆砌，而是一个内部物理机制高度协同的微型系统，这种设计哲学，正是其后续一系列惊人性能的根源所在。

如果说精巧的架构是这台“性能猛兽”的骨架，那么它交出的成绩单则足以让行业为之侧目。这款Pockels光子存储器在能耗、耐久性和存储密度这三个核心赛道上，直接实现了数量级的飞跃，为下一代光子存储树立了一个近乎苛刻的“黄金标准”。

首先看能耗，这绝对是它最“残暴”的优势。根据论文数据，其单次状态切换的能耗低至65.1飞焦，其中开关本身仅消耗64.8fJ，耗散能量更是只有区区0.3fJ。

这个数字可能有点抽象，我们来做个对比：它比目前主流的相变材料等技术，能效高出整整两个数量级，也就是超过100倍。这意味着，它从根本上解决了光子存储一直以来被诟病的能耗痛点，让构建大规模光子计算系统不再是“电费噩梦”。

再来看它的“寿命”和“精度”。在可靠性方面，这款器件可承受超过1000万次的读写循环，推算出的数据保持期限更是超过10年。这已经完全达到了严苛的商业化应用标准，证明它并非一个只能在实验室里昙花一现的脆弱原型。

更令人兴奋的是它的多态存储能力。通过精准控制写入脉冲的能量，比如调节脉冲的数量或幅度，研究人员可以在单个FeFET器件上，实现6个可以清晰区分的稳定光学状态。

而且，谐振波长的偏移量与写入脉冲数之间，呈现出极高的高度线性关系。这就像一个拥有多个精确档位的调光开关，而不仅仅是一个简单的“开”或“关”，这种特性为实现更高效的模拟计算提供了巨大的想象空间。

最后，它还提供了一种前所未有的灵活性——双模读取。你可以通过光学方式读取，即观察微环谐振器光谱的偏移。

也可以通过电学方式读取，即测量FeFET晶体管的源漏电流。最关键的是，无论哪种读取方式，都不会破坏已经存储好的非易失光学状态。这为未来的系统设计师提供了极大的便利，可以根据不同场景的需求，自由选择最合适的读取方案。

Pockels光子存储器的真正远见，恰恰在于它从设计之初就为大规模系统集成铺平了道路，使其不再是一个孤立的实验室明星，而是有望成为构建未来光电融合芯片的关键拼图。

这份自信首先来自于其卓越的可扩展性。研究已经验证，通过在同一个微环谐振器（MRR）上集成3个可以独立控制的FeFET，就能实现多达16个非易失态。

这证明了一条通过器件堆叠来指数级提升存储密度的可行路径。此外，通过调整每个FeFET覆盖MRR的面积比例，还可以灵活地控制其对光场的调制范围，为多器件协同工作提供了丰富的调控自由度。

这意味着这种全新的光子存储层，可以直接在已经制造完成的、成熟的电子芯片之上进行“加盖”。这就像是在一栋功能完备的摩天大楼上，再加建一个全新的、功能强大的楼层，而不是推倒重来。这种能力，对于半导体这个投资巨大、极其看重工艺继承性的行业来说，无疑是黄金入场券。

最终，这一切都指向了那个终极问题——攻克“内存墙”。传统的计算架构中，数据在处理器和内存之间来回奔波，耗费了大量的能量和时间。而这种“片上光存储”方案，允许光计算单元实时、就地读写本地数据，彻底消除了数据在光电单元之间长途跋涉所产生的巨大开销。

回过头看，由许泽锋博士及其导师——美国国家发明家科学院院士、新加坡国立大学教务长AaronThean教授——领导的团队所开发的Pockels光子存储器，其意义远超一个器件本身。

这项工作不仅是光子器件领域向前迈出的一大步，更是为整个后摩尔时代的计算架构演进，提供了一个极具吸引力的发展方向。它让我们清晰地看到，一个光与电在方寸之间深度融合、协同计算的新范式，或许真的离我们不远了。

来源：采风百晓生