Durchbruch in der Gedächtnisphysik: Wie die Theorie der optimalen Steuerung den Energieverbrauch von Chips um ein Vielfaches senken könnte

Die Entwicklung von generativer künstlicher Intelligenz stellt die globale technologische Gemeinschaft vor eine harte Herausforderung: Moderne Systeme benötigen eine enorme Menge an Energie zur Speicherung und Verarbeitung von Daten. Das Problem des Energieverbrauchs von Speichermedien wird kritisch, und Wissenschaftler auf der ganzen Welt suchen nach Wegen, die Folgen dieses Trends zu mildern. Eine neue Studie von Physikern der Universität Edinburgh (University of Edinburgh) bietet eine Lösung, die den Ansatz zur Datenspeicherung in elektronischen Speichern grundlegend verändern könnte.

Abschied von der Methode der „rohen Gewalt“

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass die heutigen Methoden zur Änderung eines Bits in einer magnetischen Speicherzelle weit von ideal entfernt sind. Der heutige Schreibprozess ähnelt oft einer „Brute-Force“-Methode – roher Gewalt. Um den Zustand einer Zelle zu ändern, wird ein ausreichend starker Impuls verwendet, der der ursprünglichen Magnetisierung entgegenwirkt, was erhebliche Energiekosten verursacht.

Stattdessen schlug das Team vor, ein Magnetfeld mit einer speziell berechneten, veränderlichen Form zu verwenden. Ein solcher Impuls versetzt das magnetische Element vom Zustand „0“ in den Zustand „1“ entlang der energetisch günstigsten Trajektorie und minimiert dabei den Widerstand des Systems.

Mathematik im Dienste der Physik

Zur Berechnung der idealen Impulse wandten die Wissenschaftler die Theorie der optimalen Steuerung an – ein leistungsfähiges mathematisches Instrument, das es ermöglicht, den kostengünstigsten Weg zur Erreichung eines bestimmten Systemzustands zu finden. Die Computersimulationen wurden am Beispiel von einschichtigen van-der-Waals-Magneten wie Fe3GaTe2, Fe3GeTe2 und CrSBr durchgeführt.

Die Ergebnisse der Simulationen zeigten eine beeindruckende Effizienz des neuen Ansatzes. In diesen Materialien gelang es, die Spins innerhalb von 1–10 Pikosekunden konsistent umzudrehen. Dabei war die Amplitude des optimierten Magnetfelds mehr als zehnmal niedriger als bei der Verwendung traditioneller Impulse.

Zahlen und Perspektiven

Der energetische Gewinn durch die Einführung der neuen Methode erwies sich als erheblich. In den betrachteten Modellen betrug die Energie eines einzelnen Schaltvorgangs etwa 0,94–9,7 nJ (Nanojoule). Zum Vergleich: Bei Verwendung herkömmlicher Magnetfeldimpulse lag dieser Wert im Bereich von 42,8–91,2 nJ.

Allerdings ist das Potenzial der Technologie damit noch nicht erschöpft. Eine zusätzliche Optimierung der Gerätegröße, der magnetischen Anisotropie und des Dämpfungskoeffizienten könnte theoretisch den Energieverbrauch auf Femtojoule senken. Laut Berechnungen der Autoren könnte diese Methode bei bestimmten Parametern sogar effizienter sein als moderne STT-MRAM- und SOT-MRAM-Technologien, bei denen der magnetische Zustand durch Ströme geändert wird, die einen Spin-Transfer-Moment oder einen Spin-Bahn-Moment erzeugen.

Wichtig ist, dass die vorgeschlagene Methode nicht nur auf magnetische Speicher beschränkt ist. Sie kann auch zur Steuerung von Strömen und Lasern angewendet werden, was eine Optimierung der Datenverarbeitung im weitesten Sinne ermöglicht. Dies ebnet den Weg für die Entwicklung energieeffizienterer Computersysteme der Zukunft.