Розвиток генеративного штучного інтелекту поставив перед світовою технологічною спільнотою серйозний виклик: сучасні системи вимагають колосальної кількості енергії для зберігання та обробки даних. Проблема енергоспоживання пам'яті стає критичною, і вчені по всьому світу шукають способи пом'якшити наслідки цього тренду. Нове дослідження фізиків з Единбурзького університету (University of Edinburgh) пропонує рішення, яке може кардинально змінити підхід до запису даних у електронну пам'ять.

Відмова від методу «грубої сили»

Дослідники дійшли висновку, що сучасні методи зміни біта в клітинці магнітної пам'яті далекі від ідеалу. Сьогодні процес запису даних часто нагадує метод «брутфорса» — грубої сили. Для зміни стану клітинки використовується досить потужний імпульс, спрямований проти початкової намагніченості, що вимагає значних енергетичних витрат.

Замість цього команда запропонувала використовувати магнітне поле зі спеціально розрахованою змінною формою. Такий імпульс переводить магнітний елемент зі стану «0» у стан «1» по найбільш енергетично вигідній траєкторії, мінімізуючи опір системи.

Математика на службі фізики

Для розрахунку ідеальних імпульсів вчені застосували теорію оптимального управління — потужний математичний апарат, який дозволяє знайти мінімально затратний спосіб досягнення заданого стану системи. Комп'ютерне моделювання проводилося на прикладі одношарових ван-дер-ваальсових магнітів, таких як Fe3GaTe2, Fe3GeTe2 та CrSBr.

Результати моделювання показали вражаючу ефективність нового підходу. У цих матеріалах спіни вдалося узгоджено розвернути за 1–10 пікосекунд. При цьому амплітуда оптимізованого магнітного поля виявилася більш ніж у десять разів нижчою, ніж при використанні традиційних імпульсів.

Цифри та перспективи

Енергетичний виграш від впровадження нової методики виявився суттєвим. У розглянутих моделях енергія одного перемикання становила приблизно 0,94–9,7 нДж (наноджоулів). Для порівняння, при використанні звичайних імпульсів магнітного поля цей показник варіювався в діапазоні 42,8–91,2 нДж.

Однак потенціал технології на цьому не вичерпується. Додаткова оптимізація розмірів пристрою, магнітної анізотропії та коефіцієнта затухання теоретично дозволяє знизити витрати енергії до фемтоджоулів. За розрахунками авторів, за певних параметрів такий спосіб може виявитися економічнішим навіть за сучасні технології STT-MRAM та SOT-MRAM, де магнітний стан змінюється струмами, що створюють момент переносу спіна або спіно-орбітальний момент.

Важливо зазначити, що запропонована методика не обмежується лише магнітною пам'яттю. Вона може бути застосована для управління струмами та лазерами, що дозволяє говорити про оптимізацію роботи з даними в широкому сенсі. Це відкриває шлях до створення більш енергоефективних обчислювальних систем майбутнього.