Физики из Эдинбургского университета представили способ кардинального снижения энергозатрат при записи данных в ячейки компьютерной памяти. Вопрос оптимизации энергопотребления стал особенно актуальным на фоне стремительного развития нейросетей и систем искусственного интеллекта, требующих огромных вычислительных ресурсов.
Исследователи пришли к выводу, что современные методы изменения состояния бита в магнитной памяти неэффективны и напоминают «грубую силу». В нынешних технологиях запись данных происходит за счет подачи мощного импульса, который принудительно преодолевает текущую намагниченность ячейки. Физики предложили альтернативный подход: использование магнитного поля со специально подобранной формой импульса. Это позволяет переводить магнитный элемент из состояния «0» в состояние «1» по энергетически наиболее выгодной траектории.
Для разработки этих импульсов авторы использовали теорию оптимального управления — математический метод, позволяющий вычислить путь с минимальными энергетическими потерями для достижения нужного состояния системы. Моделирование проводилось для перспективных однослойных ван-дер-ваальсовых магнитов, таких как Fe3GaTe2, Fe3GeTe2 и CrSBr. В ходе экспериментов спины в этих материалах удалось согласованно развернуть всего за 1–10 пикосекунд, при этом амплитуда необходимого магнитного поля снизилась более чем в десять раз по сравнению с традиционными способами записи.
Результаты моделирования показали, что энергия на одно переключение в предложенных схемах составляет от 0,94 до 9,7 нДж, тогда как стандартные импульсы требуют от 42,8 до 91,2 нДж. Ученые отмечают, что дальнейшая оптимизация геометрии устройств, коэффициента затухания и магнитной анизотропии потенциально позволит сократить энергозатраты до уровня фемтоджоулей.
Согласно выводам авторов, при определенных параметрах новая методика может оказаться эффективнее существующих технологий STT-MRAM и SOT-MRAM, которые используют токи для управления спиновым моментом. Более того, сам принцип оптимального управления может быть адаптирован для контроля лазерных импульсов и токов в других вычислительных архитектурах, что открывает широкие возможности для повышения энергоэффективности обработки данных.
