Энергоэффективность гаджетов и улучшение климата: на Дальнем Востоке идут разработки в сфере магнетизма

На базе лаборатории Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) планируется развитие технологий для быстрой записи и безопасного хранения информации на компьютерах и смартфонах, при заметном снижении энергопотребления. Разработки в данной сфере позволят не только улучшить гаджеты, но и сократить выбросы парниковых газов в атмосферу.

В настоящее время цифровая информация хранится на двух основных типах запоминающих устройств — на жестких магнитных дисках (HDD) и твердотельных накопителях (SSD). Однако в основе механизма HDD лежит вращающийся магнитный диск, из-за чего уменьшается надежность хранения данных, а доступ к ним замедляется. У SSD-устройств время доступа к информации в миллион раз меньше — до 5 нс, при этом стоимость хранения одного бита примерно в 100 раз выше, чем у магнитных дисков. Научная группа ДВФУ ведет интенсивную разработку магнитной памяти, на основе которой могут быть созданы устройства, имеющие сверхнизкое энергопотребление, высокую скорость работы и большую емкость для хранения данных.

«Магнитная память нового поколения, построенная на спин-орбитронных эффектах, в ближайшие 5–10 лет может выйти на широкий рынок и стать доступной каждому, благодаря чему могут появиться очень быстрые и энергоэффективные мобильные и вычислительные устройства», — отметил проректор по научной работе ДВФУ Александр Самардак.

В отличие от традиционной магнитной памяти, переключение спина электрона (бита информации) позволит сократить расход энергии на устройствах в десятки раз. Таким образом значительно увеличится время автономной работы гаджетов, а также уменьшится «углеродный след» от деятельности многочисленных дата-центров.

Происходящая сейчас цифровая революция привела к тому, что в 2020 году человечеством было сгенерировано около 65 зеттабайт данных (для сравнения в 2018 году – 15 зеттабайт, а в 1 зеттабайте миллиард террабайтов). При этом львиная доля энергии используется центрами обработки данных (ЦОД) на охлаждение и поддержание жестких дисков в режиме ожидания.

Планируется, что к 2025 году будет генерироваться более 180 зеттабайт данных ежегодно. Это неизбежно приведет к росту числа ЦОД как в России, так и во всем мире, что в разы увеличит выбросы парниковых газов в атмосферу.

Поэтому уже сейчас глобальным вызовом для человечества является поиск решений по существенному снижению энергопотребления ЦОД. Использование энергонезависимой магнитной памяти с низким потреблением может быть одним из решений обозначенной проблемы.

На острие науки - Наномагнетизм

При поддержке программы мегагрантов Минобрнауки России (нацпроекта «Наука и университеты») в ДВФУ действует лаборатория спин-орбитроники мирового уровня. Совместно с коллегами из Киотского университета учёные ДВФУ изучают и разрабатывают передовые технологии по магнетизму.

Сотрудники лаборатории проводят работу, направленную на изучение свойств магнитных наноструктур. Это основа для устройств магнитной записи и обработки информации нового поколения. Ожидается, что они будут в несколько раз быстрее и дешевле существующих аналогов и потенциально смогут заменить большинство типов памяти.

Создание прототипа ячейки магнитной памяти призвано повысить скорость записи и снизить энергопотребление более чем в 100 раз по сравнению с лучшей современной памятью. Это позволит сделать работу мобильных телефонов и компьютеров более быстрой и энергоэффективной.

На базе лаборатории будет реализовываться полный технологический цикл: от научно-исследовательских работ до испытаний и, возможно, опытного производства экспериментальных образцов нового поколения электроники.

Кроме того, в 2025 ДВФУ примет Евро-Азиатский симпозиум «Тренды в магнетизме» (EASTMAG), где ученые и специалисты университета смогут представить свои исследования, получат возможность обсудить с ведущими экспертами развитие новых научных направлений, связанных с электроникой. В планах также выработка шагов по созданию и развитию наукоемких производств в регионе совместно с представителями высокотехнологичного бизнеса.

Решаемые в лаборатории задачи полностью выполняют цели стратегического направления развития ДВФУ «Физика и материаловедение» в рамках программы «Приоритет 2030», реализуемой Минобрнауки России.

Важным фактором, влияющим на выделение стратегического проекта «Физика и материаловедение», являются планы по созданию на острове Русский установки класса «мегасайенс» — синхротрона РИФ, закрепленные Указом Президента Российской Федерации В.В. Путина от 25 июля 2019 года №356 «О мерах по развитию синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры в Российской Федерации».