Energibesparende servere:Datalagring 2.0

Uanset om det er at sende bedsteforældrene et par billeder af børnene, streame en film eller musik, eller surfer på internettet i timevis, mængden af ​​data, vores samfund genererer, stiger hele tiden. Men det har en pris, da lagring af data bruger enorme mængder energi. Forudsat at datamængderne fortsætter med at vokse i fremtiden, det relaterede energiforbrug vil også stige med flere størrelsesordener. For eksempel, det forudsiges, at energiforbruget i it-sektoren vil stige til ti petawattimer, eller ti billioner kilowattimer, i 2030. Det ville svare til omkring halvdelen af ​​den elektricitet, der produceres på verdensplan.

Men hvad kan der gøres for at reducere mængden af ​​strøm, som servere skal bruge for at fungere? Data lagres normalt i et lagerlag ved hjælp af magnetisering. For at skrive eller slette data, elektriske strømme føres gennem ferromagnetiske flerlagsstrukturer, hvor de strømmende elektroner genererer et effektivt magnetfelt. Magnetiseringen i lagerlaget 'fornemmer' dette magnetiske felt og ændrer retning i overensstemmelse hermed. Imidlertid, hver elektron kan kun bruges én gang. Et vigtigt skridt fremad inden for energieffektiv datalagring involverer konstruktionen af ​​et ferromagnetisk lagerlag, der omfatter et tungmetal som platin. Når strømmen løber gennem tungmetallet, elektronerne skifter frem og tilbage mellem tungmetallet og det ferromagnetiske lag. Den store fordel ved denne teknik er, at elektronerne kan genbruges flere gange, og den strøm, der kræves for at skrive dataene, falder med en faktor på op til tusind.

Fordobling af effektiviteten af ​​lagringsprocessen

Et team af forskere ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), der arbejder i samarbejde med forskere fra Forschungszentrum Jülich, har nu fundet en måde at fordoble effektiviteten af ​​denne opbevaringsproces igen. "I stedet for at bruge simpelt silicium som et substrat, som det er sædvanlig praksis, vi bruger en piezoelektrisk krystal, "forklarede JGU -videnskabsmand Mariia Filianina." Vi fastgør tungmetallaget og det ferromagnetiske lag til dette. "Hvis der derefter påføres et elektrisk felt på den piezoelektriske krystal, det genererer mekanisk belastning i krystallen. Dette øger igen effektiviteten af ​​den magnetiske omskiftning af lagerlaget, som er det element, der sørger for datalagring.

Omfanget af forbedring af effektiviteten bestemmes af systemet og styrken af ​​det elektriske felt. "Vi kan direkte måle ændringen i effektivitet og følgelig justere den passende feltstyrke - faktisk i farten, "sagde Filianina. Med andre ord, det er muligt direkte at styre effektiviteten af ​​den magnetiske koblingsproces ved hjælp af justering af styrken af ​​det elektriske felt, som den piezoelektriske krystal udsættes for.

Dette medfører ikke kun en betydelig reduktion af energiforbruget, men gør det også muligt at anvende komplekse arkitekturer til opbevaring af oplysninger. Forskerne foreslår, at hvis det elektriske felt kun påføres et lille område af den piezoelektriske krystal, koblingseffektiviteten vil kun blive øget på det sted. Hvis de nu justerer systemet, så elektronernes spinmomenter kun kan skiftes, når belastningen forstærkes i den piezoelektriske krystal, de kan ændre magnetiseringen lokalt.

"Ved brug af denne metode, vi kan let realisere hukommelser på flere niveauer og komplekse serverarkitekturer, " sagde Filianina, en ph.d.-kandidat ved Materials Science i Mainz Graduate School of Excellence og Max Planck Graduate Center.

"Jeg er glad for, at samarbejdet med vores kolleger hos Jülich fungerer så godt. Uden hjælpen fra deres teoretiske analyse ville vi ikke være i stand til at forklare vores observationer. Jeg ser frem til at fortsætte samarbejdet med dem i forbindelse med den seneste fælles - opnåede ERC Synergy Grant, " understregede professor Mathias Kläui, der koordinerede forsøgsarbejdet.