Светоуправляемая память может помочь ИИ потреблять гораздо меньше электроэнергии

Фото из открытых источников

Каждый запрос, отправленный вами ИИ-помощнику, проходит через какой-то центр обработки данных, где стойки машин обрабатывают данные и потребляют электроэнергию. Эти здания потребляют много энергии, и их потребление постоянно растет.

Исследовательская группа в Японии занимается решением одной из проблем — памяти, которая хранит и перемещает все эти данные. Они нашли способ перезаписать эту память с помощью вспышки света, а не электрического тока, и первые результаты поразительны. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Physics Letters.

Потребление электроэнергии вычислительными системами быстро растет. В одном из недавних отчетов прогнозируется, что потребление электроэнергии мировыми центрами обработки данных может примерно удвоиться к 2030 году, при этом доля искусственного интеллекта будет расти еще быстрее.

Значительная часть этой энергии расходуется на перемещение и хранение информации, а не только на её обработку. Каждый раз, когда чип записывает бит данных, он потребляет энергию и выделяет тепло.

Если сделать память быстрее и холоднее, то потребление ресурсов всей системы снизится. Именно над этой частью проблемы работала команда из Японии, и их решение основано на использовании света.

Одним из наиболее надежных способов хранения информации является магнитная память, которая сохраняет единицу или ноль, направляя крошечный участок материала на север или юг. Измените направление, и вы измените бит.

Современные микросхемы записывают данные в этом направлении с помощью электрического тока. Данные сохраняются даже после отключения питания, что является несомненным преимуществом. Однако прохождение тока через материал происходит медленно и приводит к сильному нагреву.

По мере того, как ИИ обрабатывает всё больше данных, начинают ощущаться ограничения скорости и тепловыделения. Инженеры годами искали способ записи магнитных битов, который бы позволял избежать и того, и другого, и проблема всегда остаётся в токе.

Эти поиски привели исследователей из Национальных институтов квантовой науки и технологий (QST) к странному эффекту, при котором один только свет переворачивает магнит — при этом электрический ток не участвует в формировании памяти.

Сэйдзи Сакаи, возглавляющий центр квантовых материалов в институте, добивался этого годами. Этот эффект ранее наблюдался в классе магнитов, называемых ферримагнетиками. Но эти материалы давали слабый сигнал при считывании, слишком слабый для получения надежных единиц и нулей.

Для памяти решающее значение имеет скорость считывания. Патч может чисто переворачиваться под воздействием света, но если после этого микросхема не может отличить верх от низа, он бесполезен для хранения чего-либо.

Вот тут-то и пригодится CoFeB — сплав кобальта, железа и бора. Он уже зарекомендовал себя как надежный материал в магнитной памяти многих микросхем и ценится за высокое качество и чистоту считывания.

Несмотря на все свои достоинства, CoFeB имел репутацию материала, неподходящего для переключения под действием света.

Как показало одно из предыдущих исследований, предыдущие эксперименты по переключению режимов работы катализатора основывались на использовании редкоземельных элементов и узких температурных диапазонах. CoFeB не соответствует этим условиям.

Таким образом, в этой области существовал пробел. Упорный пробел. Материалы, которые переворачивались под воздействием света, нельзя было надежно считывать, а тот, который обеспечивал наилучшие результаты считывания, никогда не переворачивался под воздействием света. Именно устранение этого пробела и стало движущей силой новых исследований.

Команда Сакаи создала многослойную структуру из кобальта, гадолиния и CoFeB, настроенную на атомную толщину. Слои были расположены таким образом, чтобы притягиваться друг к другу, фиксируясь в противоположных направлениях, так что структура действовала как единое переключаемое целое.

Самое интересное заключалось в способе соединения CoFeB. В более ранних структурах слой CoFeB располагался сбоку за немагнитной прокладкой. Здесь же он соединялся напрямую со своими соседями. Никакой прокладки, никакого выступа.

Чтобы подтвердить, что слои скреплены между собой так, как было задумано, команда обратилась к NanoTerasu, мощному рентгеновскому комплексу на северо-востоке Японии. Его лучи показали, что слои тянутся в противоположных направлениях, вплоть до атомного масштаба.

Под воздействием одного лазерного импульса длительностью всего в квадриллионные доли секунды, стопка магнитов по команде изменила направление своего движения. Свет может изменить направление движения магнита таким образом примерно в 1000 раз быстрее, чем электрический ток, и при этом выделяется гораздо меньше тепла.

Почему это может произойти от одной вспышки, до сих пор выясняется. Полученные командой данные свидетельствуют о том, что изменение направления происходит из-за хаотического коллапса магнитного порядка материала в мгновение ока после импульса, а не из-за обычного барьера, удерживающего направление.

Что не менее важно для памяти, переворот сохранился после многократного повторения. Команда переписывала одно и то же место снова и снова, и стек неизменно надежно переворачивался, намекая на более широкий набор материалов, заслуживающих внимания.

До этой работы переключение под действием света и надежное считывание данных никогда не существовали в одном и том же материале. Теперь они есть в многослойной структуре CoFeB, которая соответствует конструкциям магнитных туннельных переходов, уже используемых в коммерческих чипах. Эта архитектура уже была описана в знаковой статье.

«Современному цифровому обществу необходимы технологии памяти, которые были бы одновременно быстрее и экологичнее», — сказал Сакаи.

Практическая выгода заключается именно в этом: идея может быть интегрирована в существующие заводы, а не создаваться на новых. Чипы, управляемые светом, могут снизить скрытые издержки бума искусственного интеллекта.

Между лабораторными результатами и готовым к продаже чипом стоит множество инженерных разработок, и команда постоянно совершенствует материалы. Ожидается, что подобные оптические компоненты появятся в реальных устройствах в течение десяти лет, в конечном итоге объединив свет и электронику на одном кремниевом кристалле.