Forschung

Energiesparende Server: Datenspeicherung 2.0

22.07.2020 - Verfahren halbiert Energiebedarf beim Schreiben von Daten in Servern und vereinfacht komplexe Serverarchitekturen.

Ein paar Bilder der Kinder an die Großeltern senden, einen Film oder Musik streamen, stunden­lang im Internet stöbern – das Daten­volumen, das unsere Gesell­schaft erzeugt, steigt stetig. Der Haken an der Sache: Das Speichern von Daten verschlingt enorm viel Energie. Steigt die Daten­menge künftig noch weiter, nimmt der Energie­verbrauch um mehrere Größen­ordnungen zu. Unter­suchungen zufolge wird der Energie­verbrauch für die IT-Branche bis 2030 voraus­sichtlich auf zehn Peta­watt­stunden ansteigen.

Wie lässt sich die Energie senken, die Server benötigen? Üblicher­weise werden Daten über die Magneti­sierung in einer Speicher­schicht gespeichert. Dazu werden elektrische Ströme durch ferro­magnetische Multi­lagen­schichten geleitet, wo die fließenden Elektronen ein effektives Magnet­feld erzeugen. Die Magneti­sierung in der Speicher­schicht spürt dieses Magnet­feld und ändert seine Magneti­sierungs­richtung entsprechend. Dabei kann jedes Elektron jedoch nur einmal verwendet werden. Ein Entwick­lungs­schritt hin zur energie­sparenden Daten­speicherung liegt darin, eine ferro­magnetische Speicher­schicht mit einem Schwer­metall wie Platin zu versehen. Der Strom fließt durch das Schwer­metall, die Elektronen springen zwischen Schwer­metall und ferro­magne­tischer Schicht hin und her. Der große Vorteil: Auf diese Weise lassen sich die Elektronen viele Male nutzen, der Strom­bedarf beim Schreiben der Daten sinkt um einen Faktor von bis zu tausend.

Ein Forscherteam der Uni Mainz hat nun gemeinsam mit Kollegen vom Forschungs­zentrum Jülich eine Möglich­keit gefunden, die Effizienz der Speicherung noch einmal zu verdoppeln. „Statt als Substrat einfaches Silizium zu verwenden wie bisher, nutzen wir einen Piezo­kristall“, erläutert Mariia Filianina von der Uni Mainz. „Auf diesen bringen wir die Schwer­metall­schicht, sowie die ferro­magnetische Schicht auf.“ Wird nun ein elektrisches Feld an den Piezo­kristall angelegt, so erzeugt der Piezo­kristall eine mechanische Spannung. Diese wiederum steigert die Effizienz des magnetischen Schaltens der Speicher­schicht, der der Daten­speicherung zugrunde liegt. Wie sehr sich die Effizienz verbessert, hängt vom System und der Stärke des elektrischen Feldes ab. „Wir können die Effizienz­änderung direkt messen und somit die passende Feldstärke ‚on the fly‘ einstellen“, sagt Filianina. Über die elektrische Feldstärke, die man an den Piezo­kristall anlegt, lässt sich also die Effizienz des magnetischen Schalt­vorganges direkt steuern.

Das ermöglicht nicht nur eine deutliche Energie­einsparung, sondern erlaubt auch komplexe Architek­turen zur Informa­tions­speicherung. Das Prinzip: Applizieren die Forscher das elektrische Feld am Piezo­kristall nur an einer kleinen Stelle, steigt auch nur dort die Effizienz der Umwandlung. Stellen sie das System nun so ein, dass die Spins der Elektronen sich nur dann neu orien­tieren, wenn die Verstärkung durch den Piezo­kristall gegeben ist, können sie die Magneti­sierung lokal ändern. „Auf diese Weise können wir Multilevel-Speicher und komplexe Server­archi­tekturen einfach reali­sieren“, sagt Filianina.

JGU / RK

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