Энергосберегающие серверы: хранение данных 2.0

Исследовательская группа разработала методику, которая может вдвое сократить энергию, необходимую для записи данных, и упростить создание сложных серверных архитектур.

Будь то отправка бабушке и дедушке нескольких фотографий детей, потоковое воспроизведение фильма или музыки или просмотр веб-страниц в течение нескольких часов, объем данных, которые генерирует наше общество, постоянно увеличивается. Но это дорого, так как хранение данных потребляет огромное количество энергии. Предполагая, что объемы данных будут продолжать расти в будущем, соответствующее энергопотребление также увеличится на несколько порядков. Например, прогнозируется, что к 2030 году потребление энергии в ИТ-секторе возрастет до десяти петаватт-часов, или десяти триллионов киловатт-часов. Это будет эквивалентно примерно половине электроэнергии, произведенной во всем мире.

Но что можно сделать, чтобы уменьшить количество энергии, необходимое для работы серверов? Данные обычно хранятся в слое хранения с помощью намагничивания. Для записи или удаления данных электрические токи пропускаются через ферромагнитные многослойные структуры, где протекающие электроны генерируют эффективное магнитное поле. Намагниченность в накопительном слое «чувствует» это магнитное поле и соответственно меняет свое направление. Однако каждый электрон может быть использован только один раз. Важный шаг в области энергосберегающего хранения данных заключается в создании ферромагнитного слоя хранения, который включает в себя тяжелый металл, такой как платина. Когда ток течет через тяжелый металл, электроны переключаются назад и вперед между слоями тяжелого металла и ферромагнитным. Большое преимущество этого метода заключается в том, что электроны могут многократно использоваться повторно, и ток, необходимый для записи данных, уменьшается в тысячу раз.

Команда исследователей из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU), работающая в сотрудничестве с исследователями из Forschungszentrum Jülich, в настоящее время нашла способ удвоить эффективность этого процесса хранения. «Вместо использования простого кремния в качестве подложки, как это принято в обычной практике, мы используем пьезоэлектрический кристалл, - пояснила Мария Филианина (Mariia Filianina), докторант в аспирантуре Школы материаловедения в Майнце и аспирантуре Центра Макса Планка. - Мы прикрепляем к этому слой тяжелых металлов и ферромагнитный слой». Если затем к пьезоэлектрическому кристаллу прикладывается электрическое поле, оно создает механическую деформацию в кристалле. Это, в свою очередь, повышает эффективность магнитного переключения слоя хранения, который является элементом, обеспечивающим хранение данных. Степень повышения эффективности определяется системой и напряженностью электрического поля. «Мы можем непосредственно измерить изменение эффективности и, следовательно, отрегулировать соответствующую напряженность поля фактически на лету», - отметила Филианина.

Другими словами, можно напрямую контролировать эффективность процесса магнитного переключения посредством регулировки напряженности электрического поля, которому подвергается пьезоэлектрический кристалл.

Это не только приводит к значительному снижению энергопотребления, но и делает возможным использование сложных архитектур для хранения информации. Исследователи предполагают, что, если электрическое поле приложено только к небольшой области пьезоэлектрического кристалла, эффективность переключения будет повышаться только в этом месте. Если они теперь отрегулируют систему так, чтобы спины электронов могли переключаться только при усилении деформации в пьезоэлектрическом кристалле, они могут локально изменять намагниченность. «Используя этот метод, мы можем легко реализовать многоуровневую память и сложную серверную архитектуру», - заявила Мария Филианина.