Учёные из Эдинбургского университета представили новый подход к записи данных в магнитную память, который может существенно уменьшить энергозатраты современных вычислительных систем. По результатам исследования, новый метод способен снизить расход энергии более чем в десять раз по сравнению с традиционными технологиями.

Разработка особенно актуальна на фоне стремительного роста искусственного интеллекта, облачных вычислений и дата-центров. Сегодня именно память становится одним из крупных потребителей электроэнергии, поэтому даже небольшое повышение её эффективности может заметно сократить энергопотребление серверов и вычислительных комплексов.

В чём проблема современных технологий памяти

Во многих типах магнитной памяти запись нового значения происходит достаточно грубым способом.

Чтобы изменить состояние ячейки с «0» на «1» или наоборот, используется мощный магнитный импульс, который буквально «переворачивает» направление намагниченности. Такой метод прост в реализации, однако требует значительно больше энергии, чем теоретически необходимо.

По мнению исследователей, существующие способы записи далеки от максимально эффективных.

Вместо грубой силы — точное управление

Физики предложили отказаться от сильных однотипных импульсов и использовать магнитное поле заранее рассчитанной формы.

Такой импульс не просто меняет состояние магнитного элемента, а проводит его по наиболее выгодной с точки зрения физики траектории, позволяя достичь нужного результата с минимальными энергетическими потерями.

Иными словами, вместо того чтобы силой «ломать» магнитное состояние, система плавно переводит его в нужное положение наиболее экономичным способом.

Помогла теория оптимального управления

Для расчёта идеальной формы магнитного импульса исследователи использовали теорию оптимального управления — раздел прикладной математики, позволяющий находить наиболее эффективный путь перехода системы из одного состояния в другое.

Этот метод широко применяется в авиации, робототехнике, космических технологиях и промышленной автоматике, а теперь его решили использовать и при проектировании компьютерной памяти.

Проверка проводилась на перспективных магнитных материалах

Компьютерное моделирование выполнялось для нескольких современных однослойных ван-дер-ваальсовых магнитов:

• Fe₃GaTe₂;
• Fe₃GeTe₂;
• CrSBr.

Расчёты показали, что направление магнитных спинов можно изменить всего за 1–10 пикосекунд, используя магнитное поле, амплитуда которого оказалась более чем в десять раз меньше, чем требуется при традиционном способе записи.

Энергопотребление удалось значительно уменьшить

Полученные результаты оказались весьма впечатляющими.

При использовании нового метода энергия, необходимая для одного переключения состояния памяти, составила примерно 0,94–9,7 нДж.

Для сравнения, при обычном способе записи этот показатель находится в диапазоне 42,8–91,2 нДж.

Таким образом, новая схема позволяет многократно сократить энергозатраты без увеличения времени переключения.

Потенциал ещё выше

Авторы исследования считают, что достигнутые результаты — далеко не предел.

При дальнейшей оптимизации конструкции устройств, размеров магнитных элементов, магнитной анизотропии и коэффициента затухания энергозатраты могут быть снижены уже до уровня фемтоджоулей, что на несколько порядков меньше нынешних значений.

Если эти расчёты подтвердятся экспериментально, технология сможет стать одной из самых энергоэффективных среди современных решений.

Возможное преимущество перед MRAM нового поколения

Исследователи отмечают, что при определённых параметрах новая методика может оказаться экономичнее существующих технологий STT-MRAM и SOT-MRAM.

В этих типах памяти изменение магнитного состояния осуществляется электрическими токами за счёт переноса спина или спин-орбитального взаимодействия. Новый подход позволяет добиться аналогичного результата при существенно меньших энергетических затратах.

Перспективы применения выходят далеко за пределы памяти

Авторы подчёркивают, что предложенный метод может использоваться не только для записи данных в магнитную память.

Те же принципы оптимального управления потенциально подходят для работы с электрическими токами, лазерными импульсами и другими физическими процессами, где требуется максимально эффективно переводить систему из одного состояния в другое.

Если технология получит практическое развитие, она сможет найти применение не только в памяти будущих компьютеров, но и в самых разных областях электроники, где снижение энергопотребления становится одной из ключевых задач.