Prototipi di memoria efficiente per i futuri computer

I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, assieme i loro colleghi tedeschi e olandesi, hanno sviluppato prototipi di computer di archiviazione dati ad alta efficienza energetica.

I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, assieme i loro colleghi tedeschi e olandesi, hanno raggiunto la magnetizzazione dei materiali creando brevi tempistiche a un costo energetico minimo. L'articolo è stato pubblicato sulla rivista Nature. (1)

Il rapido sviluppo della tecnologia dell'informazione richiede dispositivi di archiviazione dei dati controllati da meccanismi quantistici senza perdite di energia. Il mantenimento dei data center consuma (2) oltre il 3% della potenza generata in tutto il mondo e questa cifra è in crescita. (3) Mentre la scrittura e la lettura di informazioni rappresenta un collo di bottiglia per lo sviluppo IT, le leggi fondamentali della natura in realtà non vietano l'esistenza di una memorizzazione dei dati rapida ed efficiente dal punto di vista energetico.

Il modo più affidabile per archiviare i dati è codificarli come zeri binari e uno, che corrispondono agli orientamenti dei magneti microscopici, noti come spin, in materiali magnetici. Ecco come un disco rigido del computer memorizza le informazioni. Per passare un po' tra i suoi due stati di base, viene remagnetizzato tramite un impulso di campo magnetico. Tuttavia, questa operazione richiede molto tempo ed energia.

Nel 2016 Sebastian Baierl dell'Università di Ratisbona in Germania, Anatoly Zvezdin del MIPT in Russia, Alexey Kimel dell'Università Radboud di Nimega nei Paesi Bassi e l'Università tecnologica russa MIREA, insieme ad altri colleghi, hanno proposto (4) un modo per cambiare rapidamente spin nel thulium orthoferrite tramite raggi T. La loro tecnica di remagnetizzazione dei bit di memoria si è dimostrata più rapida ed efficiente dell'uso degli impulsi di campo magnetico. Questo effetto deriva da una connessione speciale tra stati di spin e il componente elettrico di un impulso a raggi T.

“L'idea era quella di utilizzare il meccanismo di commutazione di spin precedentemente scoperto come strumento per far uscire efficacemente gli spin dall'equilibrio e studiare i limiti fondamentali sulla velocità e sul costo energetico della scrittura di informazioni. La nostra ricerca si è concentrata sulle cosiddette impronte digitali del meccanismo con la massima velocità possibile e la minima dissipazione di energia”, ha commentato il coautore dello studio, il professor Alexey V. Kimel (5) dell'Università Radboud di Nijmegen e MIREA.

In questo studio, abbiamo esposto gli stati di spin a impulsi a T appositamente sintonizzati. Le loro energie fotoniche sono all'ordine della barriera di energia tra gli stati di spin. Gli impulsi durano picosecondi, che corrisponde a un ciclo di oscillazione della luce. Il team ha utilizzato una struttura appositamente sviluppata composta da antenne d'oro di dimensioni micrometriche depositate su un campione di thulium ortho ferrite.

Di conseguenza, i ricercatori hanno individuato le caratteristiche firme spettrali che indicano il successo della commutazione degli spin con solo le minime perdite di energia imposte dalle leggi fondamentali della termodinamica. Per la prima volta, un interruttore di rotazione è stato completato in soli 3 picosecondi e quasi senza dissipazione di energia. Ciò dimostra l'enorme potenziale del magnetismo per affrontare i problemi cruciali nella tecnologia dell'informazione. Secondo i ricercatori, i loro risultati sperimentali concordano con le previsioni del modello teorico.

La professoressa Anatoly Zvezdin, che dirige il Magnetic Heterostructures and Spintronics Lab al MIPT, (6) afferma: “i materiali che hanno fornito le basi per questa scoperta, stanno attualmente vivendo una sorta di rinascita. Le loro proprietà fondamentali sono state studiate mezzo secolo fa, con importanti contributi di fisici russi, MSU e ex-alunni MIPT. Questo è un eccellente esempio di come la ricerca fondamentale si fa strada decenni dopo il suo completamento. Il lavoro congiunto di diversi team di ricerca ha portato alla creazione di una struttura che è un promettente prototipo di futuri dispositivi di archiviazione dei dati. Tali dispositivi sarebbero compatti e in grado di trasferire dati entro picosecondi. Il montaggio di questa memoria con antenne lo renderà compatibile con le fonti a raggi T su chip."

Riferimenti:

(1) Temporal and spectral fingerprints of ultrafast all-coherent spin switching

(2) Why Energy Is A Big And Rapidly Growing Problem For Data Centers

(3) How to stop data centres from gobbling up the world’s electricity

(4) T-rays will “speed up” computer memory by a factor of 1,000

(5) Alexey V. Kimel

(6) Magnetic Heterostructures and Spintronics Lab (LMHS)

Descrizione foto: Gli scienziati dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e i loro colleghi tedeschi e olandesi hanno raggiunto la magnetizzazione dei materiali accendendo i tempi più brevi, a un costo energetico minimo. Hanno quindi sviluppato un prototipo di dispositivi di archiviazione dati ad alta efficienza energetica. Credit: @tsarcyanide/MIPT Press Office.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Physicists create prototype superefficient memory for future computers