حافظه های مغناطیسی کم مصرف با پالس های میدان هوشمند

اگر تغییر دادن تنها یک بیت در حافظه، به‌جای فشار پرقدرت و پرهزینه، با یک تلنگر نرم‌تر و دقیق‌تر انجام شود چه؟ پژوهشگران دانشگاه ادینبرو یک مسیر نظری توسعه داده‌اند که دقیقا چنین هدفی را دنبال می‌کند: تنظیم زمان‌بندی و شکل پالس‌های میدان مغناطیسی به‌گونه‌ای که مغناطش با اتلاف انرژی بسیار کمتر وارونه شود.

این پژوهش که در نشریه ادونسد متریالز منتشر شده، نشان می‌دهد مسیرهای سوئیچینگ مهندسی‌شده و دقیق می‌توانند مصرف انرژی را در مقایسه با فناوری‌های پیشرو حافظه امروزی مانند دی‌رم، اس‌تی‌تی ام‌رم و فناوری نوظهور اس‌او‌تی ام‌رم، چندین مرتبه بزرگی کاهش دهند. این فقط یک بهبود جزئی نیست. چنین رویکردی حافظه مغناطیسی را به حد لانداور نزدیک‌تر می‌کند؛ همان مرز ترمودینامیکی که حداقل هزینه انرژی برای پاک کردن یک بیت اطلاعات را تعیین می‌کند.

دکتر التون سانتوس، سرپرست این مطالعه در مؤسسه فیزیک ماده چگال و سامانه‌های پیچیده دانشگاه ادینبرو، گفت: «هر عملیات دیجیتال هزینه‌ای انرژی دارد و با گسترش سامانه‌های هوش مصنوعی و کلان‌داده، این هزینه بیشتر به چشم می‌آید. با شکل دادن به نحوه تغییر میدان مغناطیسی در زمان، می‌توان مغناطش را به‌جای وادار کردن سامانه با صرف انرژی زیاد، در مسیرهایی کم‌هزینه به سوی حالت جدید هدایت کرد.»

تلنگری هوشمندتر برای مغناطیس

روش‌های سنتی سوئیچینگ به پالس‌های ناگهانی و پرفشار متکی هستند که مانع‌ها را سریع پشت سر می‌گذارند، اما گرمای زیادی را وارد قطعه می‌کنند. پیشنهاد جدید این روند را برعکس می‌کند: استفاده از شکل‌موج‌های بهینه که جهت‌گیری آهنربا را در مسیرهایی کم‌مصرف هدایت می‌کنند. این مقاله هندسه‌های پیشنهادی قطعه و طرح‌های کنترلی برای تولید این میدان‌های سفارشی را ترسیم می‌کند و نقشه راهی در اختیار تیم‌های آزمایشگاهی می‌گذارد تا این نظریه را در محیط آزمایشگاه بیازمایند.

سوئیچینگ بهینه می‌تواند انرژی مصرفی هر عملیات را چندین مرتبه بزرگی کاهش دهد و حافظه‌های مغناطیسی را به محدودیت‌های بنیادی ترمودینامیکی نزدیک‌تر کند.

نکته مهم این است که ریاضیات پشت این رویکرد انعطاف‌پذیر است. هرچند تیم پژوهشی ایده را با استفاده از پالس‌های میدان مغناطیسی توضیح داده، همین چارچوب بهینه‌سازی را می‌توان برای جریان‌های الکتریکی و پالس‌های لیزری فوق‌سریع نیز به کار برد؛ دو اهرم امیدبخش دیگر در پژوهش‌های اسپینترونیک و حافظه نسل بعد. مهندسان می‌توانند میدان‌ها، جریان‌ها و نور را با هم ترکیب کنند تا طرح‌های سوئیچینگ هیبریدی بسازند که از مزیت‌های هرکدام بهره می‌برد.

پیامدهای این ایده فراتر از تراشه‌های منفرد است. انرژی سوئیچینگ پایین‌تر به‌طور مستقیم به آرایه‌های حافظه خنک‌تر و کارآمدتر تبدیل می‌شود و می‌تواند تقاضای برق را در مراکز داده و شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی کاهش دهد. مسیر تبدیل این نظریه به کاربرد عملی به سخت‌افزار کنترلی دقیق و مهندسی مواد حساب‌شده نیاز دارد، اما دستاورد احتمالی بزرگ است: ذخیره‌سازی توانمندتر با ردپای انرژی بسیار کوچک‌تر.

گام‌های بعدی آزمایشی هستند. این مقاله مفاهیم قطعه و پروتکل‌های کنترلی قابل آزمون را ارائه می‌دهد؛ اکنون زمان آن است که تیم‌های آزمایشگاهی ابزارهایی بسازند که بتوانند میدان‌ها و پالس‌ها را با دقت موردنیاز شکل دهند. اگر این نمایش‌های عملی موفق شوند، حافظه‌های مغناطیسی می‌توانند در شرایطی که محاسبات به مرزهای فیزیکی خود نزدیک می‌شود، مسیری شگفت‌انگیز و سبزتر پیش پای صنعت بگذارند.