ความต้องการใช้งาน “เอไอ” กำลังเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ยิ่งทำให้ความต้องการใช้พลังงานใน “ดาต้าเซ็นเตอร์” ทั่วโลกพุ่งสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง และภายในปี 2030 ครองดาต้าเซ็นเตอร์จะใช้ไฟฟ้าคิดเป็น 3% ของการใช้ไฟฟ้าทั่วโลก ซึ่งเป็นผลมาจากงานเอไอเพิ่มขึ้นในอัตราที่รวดเร็วยิ่งกว่า
“ดาต้าเซ็นเตอร์” ใช้ไฟฟ้าจำนวนมากไปกับการประมวลผล เคลื่อนย้ายและจัดเก็บข้อมูล โดยทุกครั้งที่ชิปเขียนข้อมูลลงไป มันจะเผาผลาญพลังงานและปล่อยความร้อนออกมา ซึ่งหากทำให้หน่วยความจำเร็วขึ้นและเย็นลง การใช้พลังงานของเครื่องทั้งหมดก็จะลดลง
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมนักวิจัยจากสถาบันควอนตัมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติของญี่ปุ่น (QST) จึงได้คิดค้น “วัสดุหน่วยความจำแม่เหล็กที่สามารถเขียนซ้ำได้ด้วยแสงเลเซอร์” (Laser-written magnetic memory) แทนการใช้กระแสไฟฟ้า
ดร.เซอิจิ ซากาอิ ผู้นำทีมวิจัยของ QST กล่าวว่า “สังคมดิจิทัลในปัจจุบันต้องการเทคโนโลยีหน่วยความจำที่ทั้งเร็วขึ้นและยั่งยืนยิ่งขึ้น” เขายังเน้นย้ำว่า “การแสดงให้เห็นว่าวัสดุหน่วยความจำที่ใช้งานได้จริงสามารถสลับการทำงานด้วยแสงได้ จะเป็นการเปิดทางที่สมจริงสู่อุปกรณ์ความเร็วสูงและพลังงานต่ำสำหรับระบบข้อมูลในอนาคต”
วัสดุที่พัฒนาขึ้นใหม่นี้ มีโครงสร้างเป็นเฟอริแมกเนตเทียม ที่เกิดจากการซ้อนทับกันของชั้นโคบอลต์ แกโดลิเนียม และโลหะผสมจากโคบอลต์ เหล็ก โบรอน (CoFeB) ที่ปรับความหนาให้มีระดับอะตอม ชั้นต่าง ๆ ถูกตั้งค่าให้ดึงดูดซึ่งกันและกัน ทำให้เกิดการล็อกในทิศทางตรงกันข้าม เพื่อให้โครงสร้างทำงานเป็นหน่วยเดียวที่สามารถสลับการทำงานได้
เพื่อยืนยันว่าชั้นต่าง ๆ ล็อกเข้าด้วยกันตามที่ออกแบบไว้ ทีมงานจึงใช้เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนนาโนเทราสึ ช่วยให้นักวิจัยมองเห็นการจัดเรียงสปินระดับอะตอม ทำให้สามารถออกแบบโครงสร้างหลายชั้นที่สลับทิศทางแม่เหล็กได้อย่างแม่นยำ และเสถียรแม้จะมีการเขียนซ้ำหลายครั้ง
เมื่อถูกยิงด้วยพัลส์เลเซอร์เพียงครั้งเดียว ซึ่งมีระยะเวลาเพียงเศษหนึ่งล้านล้านส่วนของวินาที โครงสร้างจะเปลี่ยนทิศทางแม่เหล็กตามคำสั่ง แสงสามารถเปลี่ยนทิศทางแม่เหล็กได้เร็วกว่ากระแสไฟฟ้าประมาณ 1,000 เท่า และมีความร้อนน้อยกว่ามาก
อย่างไรก็ตาม นักวิจัยยังคงศึกษาว่าทำไมแสงแฟลชเพียงครั้งเดียวสามารถทำเช่นนี้ ทีมงานได้เสนอหลักฐานว่าการพลิกกลับเกิดจากการที่ระเบียบทางแม่เหล็กของวัสดุพังทลายลงในทันที หลังจากได้รับพัลส์
ที่สำคัญไม่แพ้กันสำหรับหน่วยความจำ การพลิกกลับนี้ยังคงอยู่ได้แม้จะทำซ้ำ ทีมงานเขียนทับจุดเดิมซ้ำแล้วซ้ำเล่า และสแต็กก็ยังคงกลับทิศทางได้อย่างน่าเชื่อถือ แสดงว่าอาจจะมีวัสดุอื่น ๆ ที่ทำได้เช่นกัน
CoFeB เป็นวัสดุหลักที่ใช้งานในอุตสาหกรรมหน่วยความจำสปินโทรนิกส์ (Spintronic memory) อยู่แล้ว เนื่องจากมีคุณสมบัติการอ่านข้อมูลที่ชัดเจน แต่ในตอนนี้สามารถทำให้วัสดุชนิดนี้รองรับการสลับสถานะด้วยแสงได้ด้วย ซึ่งทำให้ CoFeB กลายเป็นวัสดุที่สามารถสลับด้วยแสงและการอ่านค่าที่เชื่อถือได้พร้อมกัน
อย่างไรก็ตาม ทีมงานยังคงต้องปรับปรุงวัสดุอย่างต่อเนื่อง และคาดว่านวัตกรรมนี้จะถูกนำไปใช้ในอุปกรณ์จริงภายใน 10 ปี ซึ่งจะช่วยแก้ปัญหาดาต้าเซ็นเตอร์สูบกินพลังงานได้
ที่มา: Earth, Future Timeline, Science Daily, SDxCentral, Tech Explorist
