Развитие генеративного искусственного интеллекта поставило перед мировым технологическим сообществом жесткий вызов: современные системы требуют колоссального количества энергии для хранения и обработки данных. Проблема энергопотребления памяти становится критической, и ученые во всем мире ищут способы смягчить последствия этого тренда. Новое исследование физиков из Эдинбургского университета (University of Edinburgh) предлагает решение, которое может кардинально изменить подход к записи данных в электронную память.

Отказ от метода «грубой силы»

Исследователи пришли к выводу, что современные методы изменения бита в ячейке магнитной памяти далеки от идеала. Сегодня процесс записи данных часто напоминает метод «брутфорса» — грубой силы. Для смены состояния ячейки используется достаточно мощный импульс, направленный против исходной намагниченности, что требует значительных энергетических затрат.

Вместо этого команда предложила использовать магнитное поле со специально рассчитанной изменяющейся формой. Такой импульс переводит магнитный элемент из состояния «0» в состояние «1» по наиболее энергетически выгодной траектории, минимизируя сопротивление системы.

Математика на службе физики

Для расчета идеальных импульсов ученые применили теорию оптимального управления — мощный математический аппарат, позволяющий найти минимально затратный способ достижения заданного состояния системы. Компьютерное моделирование проводилось на примере однослойных ван-дер-ваальсовых магнитов, таких как Fe3GaTe2, Fe3GeTe2 и CrSBr.

Результаты моделирования показали впечатляющую эффективность нового подхода. В этих материалах спины удалось согласованно развернуть за 1–10 пикосекунд. При этом амплитуда оптимизированного магнитного поля оказалась более чем в десять раз ниже, чем при использовании традиционных импульсов.

Цифры и перспективы

Энергетический выигрыш от внедрения новой методики оказался существенным. В рассмотренных моделях энергия одного переключения составила примерно 0,94–9,7 нДж (наноjoules). Для сравнения, при использовании обычных импульсов магнитного поля этот показатель варьировался в диапазоне 42,8–91,2 нДж.

Однако потенциал технологии на этом не исчерпывается. Дополнительная оптимизация размеров устройства, магнитной анизотропии и коэффициента затухания теоретически позволяет снизить затраты энергии до фемтоджоулей. По расчетам авторов, при определенных параметрах такой способ может оказаться экономичнее даже современных технологий STT-MRAM и SOT-MRAM, где магнитное состояние меняется токами, создающими момент переноса спина или спин-орбитальный момент.

Важно отметить, что предложенная методика не ограничивается только магнитной памятью. Она может быть применима для управления токами и лазерами, что позволяет говорить об оптимизации работы с данными в широком смысле. Это открывает путь к созданию более энергоэффективных вычислительных систем будущего.