Ученые нашли способ радикально снизить энергопотребление компьютерной памяти

Технологии магнитной памяти. Источник: доктор Элтон Сантос, Эдинбургский университет

Искусственный интеллект (ИИ) и другие информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) производят и обрабатывают данные в беспрецедентных масштабах. Интернет-поиск, изображения, созданные ИИ, системы рекомендаций, научные симуляции и большие языковые модели — все это зависит от огромных объемов информации, которая создается, перемещается, хранится и анализируется. По мере того как ИИ все глубже проникает в повседневную жизнь, промышленность и науку, глобальная потребность в вычислительных мощностях и хранении данных продолжает расти.

Растущие энергетические потребности ИИ

Это расширение также создает серьезную проблему: потребление электроэнергии. Центры обработки данных уже требуют огромных мощностей, и их энергетические потребности, как ожидается, значительно возрастут в ближайшие десятилетия. Без значительного повышения эффективности ИКТ могут в конечном итоге составлять значительную долю мирового потребления электроэнергии и выбросов углерода.

Поиск способов сделать вычисления более энергоэффективными становится все более важным по мере ускорения спроса на цифровые услуги.

Исследователи из Эдинбургского университета разработали новую теоретическую основу, которая может помочь снизить количество энергии, необходимой для хранения и обработки цифровой информации (битов, представленных как «0» и «1») в будущих технологиях магнитной памяти.

Более эффективный способ переключения магнитной памяти

В основе магнитной памяти лежит способность переключать магнитные состояния, что позволяет изменять и контролировать цифровую информацию.

Вместо использования традиционных методов проектирования процессов магнитного переключения (которое является базовым механизмом обработки данных), исследователи обратились к теории оптимального управления — математическому подходу, используемому для определения наиболее эффективного способа достижения конкретной цели.

Используя этот метод, команда создала основу для разработки сверхбыстрых импульсов магнитного поля, которые могут переключать магнитные состояния, потребляя при этом как можно меньше энергии. Расчеты также учитывают реальные экспериментальные ограничения, что делает подход более применимым к потенциальным будущим устройствам.

Приближение к фундаментальному энергетическому пределу

Компьютерное моделирование показывает, что этот метод может снизить энергию переключения на несколько порядков по сравнению с ведущими технологиями памяти, используемыми или разрабатываемыми сегодня, включая DRAM, STT-MRAM и новые устройства SOT-MRAM.

Что еще более примечательно, прогнозируемые требования к энергии приближают будущую магнитную память к пределу Ландауэра (фундаментальному термодинамическому пределу), определяющему минимальное количество энергии, необходимое для обработки одного бита информации. Этот предел представляет собой фундаментальную границу, установленную физикой, поэтому приближение к нему ознаменовало бы значительный прогресс в усилиях по повышению энергоэффективности вычислений.

Разработка, описанная в журнале Advanced Materials, выходит за рамки теоретических расчетов. Она включает практические рекомендации по возможной реализации, включая оптимизированные конструкции устройств и методы подачи магнитных полей. Эти рекомендации могут помочь исследователям в конечном итоге проверить концепцию экспериментально.

Потенциал за пределами магнитных полей

Доктор Элтон Сантос из Института физики конденсированного состояния и сложных систем Эдинбургского университета, возглавивший исследование, заявил:

«Каждая цифровая операция имеет энергетическую стоимость, и эта стоимость становится все более важной по мере расширения ИИ и наукоемких технологий. Наша работа показывает, что при тщательном проектировании того, как магнитное поле изменяется во времени, намагниченность может переключаться гораздо эффективнее, чем при использовании традиционных подходов».

Он продолжил:

«Хотя мы сначала разработали теорию с использованием импульсов магнитного поля, математика гораздо более универсальна. Та же самая основа может быть адаптирована для электрических токов и даже сверхбыстрых лазерных импульсов, которые являются одними из самых передовых технологий для будущего хранения данных. Это означает, что идеи, разработанные здесь, могут найти применение далеко за пределами изученных нами систем. Похоже, мы только что нашли кое-что получше».

Источники:

Материалы предоставлены Эдинбургским университетом.

Mohammad H. Badarneh, PeiYu Cai, Elton J. G. Santos. Optimal Control Drives Ultrafast and Energy‐Efficient Magnetization Switching in Van der Waals Magnets. Advanced Materials, 2026; DOI: 10.1002/adma.202523059