Neue Methode soll Energiebedarf von Speichern drastisch senken

Forscher der University of Edinburgh haben einen Ansatz entwickelt, mit dem sich magnetische Speicher deutlich energieeffizienter betreiben lassen könnten. Das ist angesichts aktueller Entwicklungen unbedingt notwendig.

Nahe an theoretischem Minimum

Computersimulationen zufolge könnte die Methode den Energiebedarf beim Umschalten magnetischer Zustände um mehrere Größenordnungen senken. Damit käme die Technologie einer fundamentalen physikalischen Grenze für den Energieverbrauch digitaler Datenverarbeitung deutlich näher.

Der Hintergrund der Forschung ist der wachsende Strombedarf moderner Informationstechnologien. Suchmaschinen, KI-Bildgeneratoren, Empfehlungssysteme, wissenschaftliche Simulationen und große Sprachmodelle erzeugen und verarbeiten enorme Datenmengen. Besonders der Ausbau der KI-Technologien lässt den Bedarf an Rechenleistung und Speicherkapazität weiter steigen. Rechenzentren benötigen bereits heute große Mengen Strom, wobei ihr Energieverbrauch in den kommenden Jahrzehnten voraussichtlich weiter zunehmen wird.


Die Wissenschaftler suchten deshalb nach einer effizienteren Möglichkeit, einzelne Bits in magnetischen Speichern zu verändern. Dafür setzten sie auf die sogenannte Optimal Control Theory. Dabei handelt es sich um ein mathematisches Verfahren, mit dem sich der effizienteste Weg zu einem bestimmten Ziel bestimmen lässt.

Auf dieser Grundlage entwickelten die Forscher ein Verfahren zur Erzeugung extrem schneller Magnetfeldimpulse. Diese sollen den magnetischen Zustand eines Speicherelements möglichst schnell verändern und dabei so wenig Energie wie möglich benötigen. Anders als rein theoretische Modelle berücksichtigt der Ansatz auch Einschränkungen, die bei einer praktischen Umsetzung auftreten würden.

Auch für andere Technologien möglich

Den Simulationen zufolge könnte der Energiebedarf des Umschaltvorgangs deutlich unter den Werten heutiger und derzeit entwickelter Speichertechnologien wie DRAM, STT-MRAM und SOT-MRAM liegen. Besonders auffällig ist dabei die Nähe zum sogenannten Landauer-Limit. Diese thermodynamische Grenze beschreibt die minimale Energiemenge, die unter bestimmten Bedingungen für die Verarbeitung eines einzelnen Bits erforderlich ist. Sie stellt damit eine fundamentale Grenze dar, die nicht durch bessere technische Fortschritte unterschritten werden kann.

Die in Advanced Materials beschriebene Methode liefert zudem Vorschläge für mögliche Bauteile und die praktische Erzeugung der benötigten Magnetfelder. Dadurch könnte sie schon bald experimentell überprüft werden. Nach Angaben von Forschungsleiter Elton Santos ist der Ansatz zudem nicht auf Magnetfelder beschränkt. Die mathematische Methode könne grundsätzlich auch auf elektrische Ströme oder extrem schnelle Laserpulse übertragen werden. Damit könnte sie perspektivisch auch für neuartige Speichertechnologien relevant werden.

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