Значительная часть энергии, которую потребляет современная электроника, уходит не на вычисления, а на запись и хранение данных. Особенно заметно это в центрах обработки данных и системах искусственного интеллекта, где операции с памятью становятся одним из главных потребителей электричества. Исследователи из Эдинбургского университета предложили метод, который позволяет переключать ячейки магнитной памяти с гораздо меньшими затратами энергии — вплоть до нескольких порядков по сравнению с существующими технологиями. Работа опубликована в журнале Advanced Materials.

Почему память «жрёт» столько энергии

В магнитной памяти бит информации записывается за счёт переворота намагниченности крошечной ячейки. Этот процесс давно известен, но до сих пор остаётся довольно расточительным: значительная часть энергии рассеивается в виде тепла. Учёные уже много лет пытаются приблизиться к так называемому пределу Ландауэра — теоретическому минимуму энергии, который по законам термодинамики необходим для обработки одного бита информации. До этого предела современные технологии пока далеки.

Как рассчитали идеальный импульс

Команда под руководством Элтона Сантоса применила математический аппарат теории оптимального управления. С его помощью исследователи вычислили, какой именно должна быть форма магнитного импульса во времени, чтобы намагниченность переключалась максимально экономно.

Оказалось, что если не просто подать постоянное или грубо меняющееся поле, а аккуратно задать закон его изменения, потери энергии резко падают. По расчётам авторов, новый подход позволяет снизить энергозатраты на несколько порядков по сравнению с распространёнными типами памяти — обычной DRAM, а также магниторезистивной STT-MRAM и SOT-MRAM.

«Тщательно проектируя, как магнитное поле меняется во времени, можно переключать намагниченность намного эффективнее», — пояснил Элтон Сантос.

Универсальность метода

Важное преимущество подхода — его универсальность. Метод работает не только с внешним магнитным полем. Те же принципы оптимального управления применимы к электрическому току и сверхбыстрым лазерным импульсам. Это означает, что идея может быть реализована в разных типах устройств и не привязана к одной конкретной технологии.

Авторы считают, что такие решения открывают путь к принципиально более энергоэффективной электронике. Особенно актуально это на фоне стремительного роста дата-центров и систем искусственного интеллекта, где именно операции с памятью становятся одним из главных потребителей энергии.