Технологии магнитной памяти. Фото: доктор Элтон Сантос, Эдинбургский университет.

Микроскопические магнитные переключатели, лежащие в основе цифровой памяти, вскоре смогут потреблять в тысячи раз меньше энергии, что откроет новые возможности для снижения энергопотребления искусственного интеллекта, которое стремительно растет.

Искусственный интеллект создает и обрабатывает данные в огромных масштабах. Поиски, рекомендации, сгенерированные изображения, научное моделирование и большие языковые модели — все это зависит от информации, которую необходимо многократно хранить, передавать, извлекать и перезаписывать. Каждая операция требует энергии, и эти затраты многократно увеличиваются из-за миллиардов устройств и обширных центров обработки данных, поддерживающих цифровой мир.

Исследователи из Эдинбургского университета разработали математическую модель, призванную сократить энергозатраты на запись информации в магнитную память будущего. Вместо того чтобы создавать новый материал для памяти, этот подход предполагает изменение способа переключения магнитного состояния, представляющего цифровой бит.

Магнитная память хранит информацию, контролируя ориентацию крошечных магнитных областей. Переключение одной из этих областей между двумя стабильными состояниями может означать изменение бита с «0» на «1» или наоборот. Задача состоит в том, чтобы выполнять это переключение быстро, надежно и с минимальными потерями энергии.

Обычные импульсы магнитного поля зачастую слишком неэффективны для современных архитектур памяти. Они могут потреблять значительное количество энергии, с трудом воздействуют на очень маленькие области, и их сложно масштабировать по мере уменьшения размеров устройств. Эти ограничения подтолкнули отрасль к использованию технологий, основанных на электрических токах, в том числе магнитной памяти с передачей спинового момента (STT-MRAM) и магнитной памяти с передачей спин-орбитального момента (SOT-MRAM).

Более разумный способ переключения битов

Команда из Эдинбурга пересмотрела подход к переключению магнитного поля с помощью теории оптимального управления — математического метода, позволяющего найти наиболее эффективный путь к определенному результату. Вместо того чтобы применять простой импульс фиксированной формы, система рассчитывает, как должно меняться магнитное поле в каждый момент времени, чтобы перевести намагниченность в новое состояние с минимальными затратами энергии.

Это похоже на поиск наиболее экономичного пути через сложный ландшафт, а не на простое приложение большей силы. Импульсы особой формы используют естественное движение магнита, направляя его в нужное состояние, а не противодействуя его динамике.

Сверхбыстрое переключение с гораздо меньшими затратами энергии

Исследователи протестировали этот метод на трех ультратонких ван-дер-ваальсовых магнитах: Fe₃GaTe₂, Fe₃GeTe₂ и CrSBr. Эти материалы состоят из слабо связанных атомных слоев и исследуются на предмет создания компактной высокоскоростной электроники, поскольку их магнитными свойствами можно управлять в чрезвычайно малых масштабах.

В ходе моделирования оптимизированные импульсы изменяли намагниченность примерно за 1–10 пикосекунд. Одна пикосекунда — это одна триллионная доля секунды. Кроме того, поля были более чем в 10 раз слабее, чем при использовании стандартных методов переключения. В изученных условиях для переключения требовалось всего 0,94 наноджоуля по сравнению с 91,2 наноджоуля при использовании обычных полевых импульсов.

Расчеты показывают, что при регулировке таких свойств, как магнитное демпфирование и анизотропия, которые определяют, как движутся спины и в каком направлении они предпочитают ориентироваться, энергия переключения может в конечном итоге снизиться до уровня фемтоджоулей. Фемтоджоуль — это одна квадриллионная доля джоуля. При таких показателях этот подход может конкурировать с уже существующими методами переключения STT и SOT или даже превосходить их.

Приближение к энергетическому пределу вычислительных систем

Более масштабное моделирование показывает, что оптимизированное переключение может снизить энергопотребление на несколько порядков по сравнению с ведущими технологиями памяти, включая DRAM, STT-MRAM и новые устройства SOT-MRAM. Прогнозируемые значения также приближают магнитную память к пределу Ландауэра (фундаментальному термодинамическому пределу), который определяет наименьшее количество энергии, которое необходимо рассеять при необратимом стирании информации.

В исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials, описываются возможные конструкции устройств и методы создания тщательно контролируемых полей, что дает отправную точку для экспериментальных испытаний.

Доктор Элтон Сантос из Института физики конденсированного состояния и сложных систем Эдинбургского университета, возглавлявший исследование, сказал: «Каждая цифровая операция требует затрат энергии, и эти затраты становятся все более значимыми по мере развития искусственного интеллекта и технологий, требующих больших объемов данных. Наша работа показывает, что при тщательном планировании изменения магнитного поля во времени намагниченность можно переключать гораздо эффективнее, чем при использовании традиционных подходов».

Помимо импульсов магнитного поля

Этот метод может быть применим не только к магнитным полям. Та же математическая стратегия может быть использована для оптимизации электрических токов и сверхбыстрых лазерных импульсов, которые разрабатываются для будущих устройств памяти и спинтроники. Такая универсальность может позволить инженерам комбинировать поля, токи и свет, а не полагаться на один механизм переключения.

Сантос продолжил: «Хотя мы впервые разработали эту теорию на основе импульсов магнитного поля, математическая модель гораздо более универсальна. Тот же принцип можно адаптировать для электрических токов и даже сверхбыстрых лазерных импульсов, которые являются одними из самых передовых технологий для хранения данных в будущем. Это означает, что разработанные здесь идеи могут найти применение далеко за пределами систем, которые мы изучали. Похоже, мы только что нашли что-то новое и лучшее.

Ссылка: «Оптимальное управление обеспечивает сверхбыстрое и энергоэффективное переключение намагниченности в ван-дер-ваальсовых магнитах» — Мохаммад Х. Бадарне, Пейю Цай и Элтон Дж. Г. Сантос, 14 июля 2026 года, Advanced Materials. DOI: 10.1002/adma.202523059