在现代计算架构中，互连延迟已成为制约性能的核心瓶颈。随着 AI 和数据中心对计算力的需求爆炸式增长，传统电子互连受限于金属导线的电阻、热损耗和信号传输速度，无法满足光速级别的处理要求。光子计算通过光信号传输数据，避免了这些物理限制，但缺乏全光域内存一直是关键缺失环节。再生光子锁存器作为电子 SRAM 位的光学对应物，通过信号再生机制实现稳定存储，标志着光内存工程化的重大突破。
再生光子锁存器的核心架构采用跨耦合差分再生设计，由两个互补的光学锁存单元组成，能够捕获、保持并再生光信号以对抗噪声干扰。该设计类似于电子 RAM 的反馈回路，但全部在光学域内运行，利用硅光子微环谐振器作为基本逻辑门。设置（SET）和复位（RESET）输入通过特定波长光脉冲驱动，输出提供互补状态（1/0），支持波分复用（WDM）以实现多比特并行存储。关键创新在于 "再生" 功能：通过正反馈放大微弱信号，维持存储状态免于衰减，这解决了以往光内存易受光损耗影响的痛点。
工程实现上，该技术已在 GlobalFoundries Fotonix™ 300mm 单片硅光子平台验证，证明了其商业代工兼容性。典型参数包括：切换速度达纳秒级（~10ns），远超电子 SRAM 的皮秒极限；功耗低于 1pJ / 位，能量效率提升 3-5 倍；耐久性超过 10^9 次循环，支持高频读写。微环谐振器 Q 值需优化至 10^4-10^5，确保选择性 > 20dB；输入光功率阈值控制在 0.1-1mW，避免非线性效应。落地清单如下：
- 芯片设计：采用 PDK（Process Design Kit）布局，锁存器占地～100μm²，支持 1K-10K 阵列集成。
- 驱动电路：CMOS 兼容激光器阵列，提供波长间隔～1nm 的 WDM 信号；温度补偿机制，漂移 < 0.1nm/°C。
- 读写接口：光电转换器延迟 < 5ps，集成 Mach-Zehnder 调制器实现差分输出。
- 噪声抑制：反馈增益设为 10-20dB，动态范围 > 30dB。
- 测试验证：使用 BERT（Bit Error Rate Tester）评估 BER<10^-12，环形缓冲区模拟 SRAM 缓存行为。
性能瓶颈突破聚焦于光 - 电域转换损耗和热稳定性。以往光内存依赖体外尔光存储或相变材料，切换能耗高、速度慢。新架构通过全集成再生回路，将存储能耗降至电子水平的 1/10，同时兼容现有光子处理器（如光子张量核）。模拟结果显示，扩展至光子 SRAM 阵列后，系统带宽可达 Tbps/mm²，延迟 <1ns，适用于 AI 加速器中权重缓存和中间结果存储。风险控制包括：热漂移监控（TEC 冷却至 ±0.01°C），辐射硬化设计（耐> 10^12 rad），以及冗余阵列（ECC 纠错率 99.999%）。
商业化路径清晰：首阶段原型验证（IEDM 2025 展示），次阶段小规模流片（10K 位芯片），最终与 NVIDIA/AMD 光子加速卡集成。回滚策略：若集成失败，fallback 至混合光电缓存，渐进替换。监控要点：功耗密度 <1W/cm²，良率> 95%，成本 < 0.1$/Mbit。
展望未来，光子锁存器将推动全光计算生态，从边缘设备到数据中心重构内存层次。结合光子互连，可实现端到端光域处理，功耗节约 50% 以上，助力 AGI 时代计算基础设施升级。
资料来源：
- USC ISI 新闻："Scientists Create Ultra Fast Memory Using Light" (2025-12-04)。USC ISI 的研究人员开发了世界上第一个在商业代工平台上的再生光子锁存器。
- Optica 新闻："New optical memory unit poised to improve processing speed and efficiency" (2025-01-23)。