W miarę jak sztuczna inteligencja nadal się rozwija, światowe centra danych zużywają ogromne ilości energii elektrycznej, hałasu, emisji ciepła, co ma ogromne konsekwencje dla środowiska.
Niektóre duże obiekty AI już zużywają tyle samo energii elektrycznej co małe miasta – co budzi obawy zarówno dotyczące kosztów energii, jak i wpływu na środowisko. – Giga-centrum, które jest obecnie budowane w Utah, zużywa więcej energii niż cała reszta stanu i jeszcze więcej.
Przeczytaj: Naukowcy stworzyli potężny katalizator rozszczepiający wodę
Dlatego badacze poszukują nowych technologii pamięci komputerowej, które mogą przetwarzać i przechowywać dane przy znacznie mniejszej ilości energii.
Obiecujący przełom
Badacze z POSTECH i Chungnam National University mogli dokonać ważnego przełomu. Opracowali nową technologię pamięci, która przechowuje informacje przy użyciu niewielkich zmian temperatury zamiast dużych prądów elektrycznych – co dramatycznie zmniejsza zużycie energii.
Ich badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Advanced Functional Materials.
Nowy system opiera się na dziedzinie zwanej spintroniką. Tradycyjna elektronika przechowuje i przetwarza informacje, wykorzystując ładunek elektryczny elektronów. Spintronika działa inaczej: wykorzystuje właściwość zwaną „spinem” – mały kierunek magnetyczny poruszający się elektronami.
W urządzeniach spintronicznych różne kierunki obrotu reprezentują liczby binarne 0 i 1 używane w obliczeniach cyfrowych.
Spintronika zyskała uznanie, ponieważ umożliwia szybsze i bardziej energooszczędne obliczenia. Jednak większość istniejących systemów pamięci spintronicznej wymaga silnych prądów elektrycznych do zmiany kierunku spinu. Prądy te generują ciepło i marnują ogromne ilości energii.
Przeczytaj: Dlaczego dwutlenek węgla chłodzi górne warstwy atmosfery – podczas gdy ogrzewa Ziemię poniżej
Temperatura zamiast elektryczności
Zespół badawczy chciał uniknąć tego problemu, kontrolując obrót za pomocą temperatury zamiast elektryczności.
Jednak wcześniejsze próby kontroli opartej na temperaturze napotkały poważne wyzwanie: gdy temperatura wracała do normy, kierunek obrotu często się ponownie zmieniał. To oznaczało, że pamięć nie mogła niezawodnie przechowywać informacji w czasie.
Naukowcy rozwiązali to za pomocą zjawiska zwanego histerezą termiczną. Mówiąc wprost, oznacza to, że system może pozostać w stanie zmienionym nawet po usunięciu pierwotnego wyzwalacza.
Aby uzyskać ten efekt, zespół zbudował strukturę z dwóch materiałów magnetycznych: granatu gadolinowo-żelaznego oraz granatu holmowo-żelaznego. Te materiały różnie reagują na zmiany temperatury, tworząc między nimi konkurencję magnetyczną.
Jak przeciąganie liny
Naukowcy porównują ten proces do przeciągania liny. Każdy materiał przyciąga kierunek magnetyczny układu w różnych kierunkach. Gdy temperatura się zmienia, jedna strona staje się silniejsza i ostatecznie przechodzi w nowy stabilny stan układu.
Co najważniejsze, system nie przełącza się od razu, gdy temperatura się zmienia. Stan magnetyczny pozostaje stabilny, co pozwala pamięci przechowywać informacje bez ciągłego zasilania – nazywa się to pamięcią nieulotną.
Naukowcy byli w stanie przełączać stany pamięci przy niewielkich zmianach temperatury około 25 stopni Kelvina, połączonych ze stosunkowo słabym polem magnetycznym.
Do 66 razy niższe zużycie energii
W porównaniu z dzisiejszymi technologiami pamięci obrotowej na orbicie obrotowej, nowa metoda zmniejszyła zużycie energii nawet do 66 razy. W idealnych warunkach redukcja może sięgać nawet 452 razy.
Profesor Hyungyu Jin stwierdza, że prace pokazują, iż urządzenia pamięci mogą pewnego dnia funkcjonować przy użyciu małych zmian termicznych zamiast dużych prądów elektrycznych.
Choć technologia ta jest jeszcze w fazie badań, może ostatecznie pomóc w rozwoju systemów pamięci o ultra-niskim zużyciu energii dla komputerów AI, urządzeń mobilnych i przyszłych centrów danych – zmniejszając zarówno koszty energii, jak i wpływ na środowisko.
Oczywiście żadne z centrów, które są obecnie budowane, nie korzysta z nowej technologii.