Nadchodzi przełom? Polski sposób na ultraszybki zapis informacji
Polsko-holenderskiemu zespołowi fizyków udało się ominąć barierę w szybkości oraz wydajności zapisu informacji. Dzięki temu dane na dyskach komputerowych można będzie zapisywać tysiąc razy szybciej niż teraz, a w dodatku komputery będą bardziej energooszczędne.
fot. OpenClipart-Vectors / pixabay
Polsko-holenderski zespół badaczy znalazł sposób, który sprawi, że zapis informacji w komputerach będzie o wiele bardziej wydajny. To tzw. technologia zimnego ultraszybkiego zapisu fotomagnetycznego. Przełomowe badania ukazały się w środę w prestiżowym piśmie "Nature".
"Dzięki naszemu rozwiązaniu bliską przyszłością może być komputer, który nie tylko będzie działał szybciej, ale i będzie zużywał mniej energii dzięki wydajniejszej pamięci. I tak np. dzięki zastosowaniu naszej technologii, grafiki 3D, których teraz renderowanie (przetwarzanie - przyp. PAP) trwa kilkadziesiąt minut, wygenerowałby się w kilka sekund. A laptop wytrzymałby bez ładowania dłużej" - opisuje w rozmowie z PAP jeden z autorów publikacji Krzysztof Szerenos, doktorant z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku.
CHŁODNA KALKULACJA
Jak jednak zaznacza młody fizyk, prawdziwy potencjał rozwiązania będzie szczególnie zauważalny w ogromnych serwerowniach czy centrach przechowywania i przetwarzania danych. Tam oszczędności - jeśli chodzi zarówno o czas, jak i o energię potrzebną do zapisywania i przetwarzania danych - byłyby naprawdę nie do pogardzenia.
"Obecnie aż 5 proc. globalnej produkcji energii elektrycznej jest pochłaniane przez takie centra IT, a wkrótce wzrośnie to do 7 proc." - informuje kierownik badań dr hab. Andrzej Stupakiewicz z Wydziału Fizyki UwB. Zwraca uwagę, że przy zapisie wydzielają się spore ilości ciepła - na tyle duże, że aby chronić dane, trzeba zużywać dodatkową energię na chłodzenie urządzeń.
Tymczasem, jak oceniają badacze z UwB, nowa metoda sprawi, że podczas zapisu informacji (a także i odczytu), temperatura nośnika informacji wzrośnie np. jedynie o 1 stopień C. W takiej sytuacji chłodzenie będzie zbędne. System działa w temperaturze pokojowej.
ŚWIAT DYSKU
Andrzej Stupakiewicz przypomina, na czym polega zapis informacji magnetycznej na dysku. "Możemy sobie wyobrazić, że jest tam mnóstwo malutkich magnesików. Każdy magnes ma biegun północny i południowy, czyli kierunek namagnesowania. Jeśli uda nam się obrócić jeden magnesik, zmieniamy jego wartość binarną - np. z 0 na 1. W ten sposób zapisujemy informację" - opowiada.
Dodaje, że w dostępnych na rynku pamięciach stan namagnesowania zmieniano najczęściej za pomocą pola magnetycznego albo prądu elektrycznego. Ta metoda nieuchronnie skutkowała jednak rozgrzewaniem materiałów. A to prowadzi do strat energii.
Poza tym dotychczasowe metody miały fizyczne ograniczenia, jeśli chodzi o szybkość zapisu - wiadomo było, że aby zmienić stan bitu w najszybszych obecnie pamięciach typu RAM potrzebne było kilka nanosekund (nanosekunda to miliardowa część sekundy). Nowa metoda pozwala obejść dotychczasową barierę związaną z szybkością zapisu.
GRANATEM W RYNEK IT
Badacze z Polski pokazali, że istnieje materiał nieprzewodzący (granat itrowo-żelazowy domieszkowany jonami kobaltu, YIG:Co), w którym stan namagnesowania można zmieniać za pomocą ultraszybkich impulsów światła, i to odwracalnie. Aby przełączyć jeden bit w takim materiale wystarczy jeden impuls lasera.
"W stosunku do obecnie stosowanych najszybszych pamięci możemy uzyskać tysiąckrotne zwiększenie prędkości zapisu i odczytu danych" - porównuje Andrzej Stupakiewicz. Materiały o strukturze granatu są dostępne na rynku i - zdaniem naukowców - nie byłoby problemów z ulepszeniem ich parametrów w celu optymalizacji zapisu i wykorzystaniu na skalę masową.
IMPULS DO POWAŻNYCH OSZCZĘDNOŚCI
Naukowcy informują, że przy zapisie 1 bitu informacji system zużywałby naprawdę niewiele energii - nawet 10 000 razy mniej niż wchodząca na rynek najnowsza technologia STT-MRAM, i nawet miliard razy mniej niż obecne dyski twarde.
Już od jakiegoś czasu wiadomo było, że można wykonać zapis magnetyczny za pomocą pojedynczych impulsów lasera. Przed dekadą grupa badaczy z Holandii odkryła materiał metaliczny o takich właściwościach. Jednak ze względu na bardzo silne pochłanianie światła, materiał ten znacznie nagrzewał się w trakcie zapisu. "Teraz, we współpracy z tym samym zespołem z Holandii, zademonstrowaliśmy, że istnieje magnetyczny dielektryk, który jest przezroczysty i nie nagrzewa się pod wpływem impulsów lasera, a zapis jest jeszcze szybszy" - opowiada Krzysztof Szerenos.
Badania zespołu z Białegostoku zostały przeprowadzone przy wsparciu Narodowego Centrum Nauki. Teraz Polacy - wspólnie z Holendrami - starają się o unijny grant na rozwój badań. W ciągu 5 lat chcą zbudować prototyp systemu wykorzystującego nową technologię zimnego ultraszybkiego zapisu fotomagnetycznego. Mają nadzieję, że wtedy nowe urządzenia mogą pojawić się na rynku nawet w ciągu 10 lat.
PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala
"Dzięki naszemu rozwiązaniu bliską przyszłością może być komputer, który nie tylko będzie działał szybciej, ale i będzie zużywał mniej energii dzięki wydajniejszej pamięci. I tak np. dzięki zastosowaniu naszej technologii, grafiki 3D, których teraz renderowanie (przetwarzanie - przyp. PAP) trwa kilkadziesiąt minut, wygenerowałby się w kilka sekund. A laptop wytrzymałby bez ładowania dłużej" - opisuje w rozmowie z PAP jeden z autorów publikacji Krzysztof Szerenos, doktorant z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku.
CHŁODNA KALKULACJA
Jak jednak zaznacza młody fizyk, prawdziwy potencjał rozwiązania będzie szczególnie zauważalny w ogromnych serwerowniach czy centrach przechowywania i przetwarzania danych. Tam oszczędności - jeśli chodzi zarówno o czas, jak i o energię potrzebną do zapisywania i przetwarzania danych - byłyby naprawdę nie do pogardzenia.
"Obecnie aż 5 proc. globalnej produkcji energii elektrycznej jest pochłaniane przez takie centra IT, a wkrótce wzrośnie to do 7 proc." - informuje kierownik badań dr hab. Andrzej Stupakiewicz z Wydziału Fizyki UwB. Zwraca uwagę, że przy zapisie wydzielają się spore ilości ciepła - na tyle duże, że aby chronić dane, trzeba zużywać dodatkową energię na chłodzenie urządzeń.
Tymczasem, jak oceniają badacze z UwB, nowa metoda sprawi, że podczas zapisu informacji (a także i odczytu), temperatura nośnika informacji wzrośnie np. jedynie o 1 stopień C. W takiej sytuacji chłodzenie będzie zbędne. System działa w temperaturze pokojowej.
ŚWIAT DYSKU
Andrzej Stupakiewicz przypomina, na czym polega zapis informacji magnetycznej na dysku. "Możemy sobie wyobrazić, że jest tam mnóstwo malutkich magnesików. Każdy magnes ma biegun północny i południowy, czyli kierunek namagnesowania. Jeśli uda nam się obrócić jeden magnesik, zmieniamy jego wartość binarną - np. z 0 na 1. W ten sposób zapisujemy informację" - opowiada.
Dodaje, że w dostępnych na rynku pamięciach stan namagnesowania zmieniano najczęściej za pomocą pola magnetycznego albo prądu elektrycznego. Ta metoda nieuchronnie skutkowała jednak rozgrzewaniem materiałów. A to prowadzi do strat energii.
Poza tym dotychczasowe metody miały fizyczne ograniczenia, jeśli chodzi o szybkość zapisu - wiadomo było, że aby zmienić stan bitu w najszybszych obecnie pamięciach typu RAM potrzebne było kilka nanosekund (nanosekunda to miliardowa część sekundy). Nowa metoda pozwala obejść dotychczasową barierę związaną z szybkością zapisu.
GRANATEM W RYNEK IT
Badacze z Polski pokazali, że istnieje materiał nieprzewodzący (granat itrowo-żelazowy domieszkowany jonami kobaltu, YIG:Co), w którym stan namagnesowania można zmieniać za pomocą ultraszybkich impulsów światła, i to odwracalnie. Aby przełączyć jeden bit w takim materiale wystarczy jeden impuls lasera.
"W stosunku do obecnie stosowanych najszybszych pamięci możemy uzyskać tysiąckrotne zwiększenie prędkości zapisu i odczytu danych" - porównuje Andrzej Stupakiewicz. Materiały o strukturze granatu są dostępne na rynku i - zdaniem naukowców - nie byłoby problemów z ulepszeniem ich parametrów w celu optymalizacji zapisu i wykorzystaniu na skalę masową.
IMPULS DO POWAŻNYCH OSZCZĘDNOŚCI
Naukowcy informują, że przy zapisie 1 bitu informacji system zużywałby naprawdę niewiele energii - nawet 10 000 razy mniej niż wchodząca na rynek najnowsza technologia STT-MRAM, i nawet miliard razy mniej niż obecne dyski twarde.
Już od jakiegoś czasu wiadomo było, że można wykonać zapis magnetyczny za pomocą pojedynczych impulsów lasera. Przed dekadą grupa badaczy z Holandii odkryła materiał metaliczny o takich właściwościach. Jednak ze względu na bardzo silne pochłanianie światła, materiał ten znacznie nagrzewał się w trakcie zapisu. "Teraz, we współpracy z tym samym zespołem z Holandii, zademonstrowaliśmy, że istnieje magnetyczny dielektryk, który jest przezroczysty i nie nagrzewa się pod wpływem impulsów lasera, a zapis jest jeszcze szybszy" - opowiada Krzysztof Szerenos.
Badania zespołu z Białegostoku zostały przeprowadzone przy wsparciu Narodowego Centrum Nauki. Teraz Polacy - wspólnie z Holendrami - starają się o unijny grant na rozwój badań. W ciągu 5 lat chcą zbudować prototyp systemu wykorzystującego nową technologię zimnego ultraszybkiego zapisu fotomagnetycznego. Mają nadzieję, że wtedy nowe urządzenia mogą pojawić się na rynku nawet w ciągu 10 lat.
PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala
