Energiesparende Server: Datenspeicherung 2.0

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Halbierter Energiebedarf und Vereinfachung komplexer Serverarchitekturen

Ein Forscherteam der Mainzer Johannes-Gutenberg-Universität hat eine Möglichkeit entwickelt, den Energiebedarf beim Schreiben von Daten in Servern potenziell zu halbieren und zudem komplexe Serverarchitekturen zu vereinfachen. Einer Medienmitteilung vom 25.06.2020 zufolge besteht ein Entwicklungsschritt 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 wiederholte Male nutzen, der Strombedarf beim Schreiben der Daten sinkt um einen Faktor von bis zu tausend.

Das Datenvolumen, das unsere Gesellschaft erzeugt, steigt stetig und 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, also zehn Billionen Kilowattstunden, ansteigen. Das entspräche etwa der Hälfte des weltweiten Stroms.

Doch 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 wiederholte Male nutzen, der Strombedarf beim Schreiben der Daten sinkt um einen Faktor von bis zu tausend.

Schematische Darstellung der Architektur eines Bauteils, das den piezoelektrischen Effekt ausnutzt – Grafik © AG Kläui, uni-mainz.de

Effizienz des Speichervorgangs verdoppeln

Ein Forscherteam der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat nun gemeinsam mit Forschern des Forschungszentrums Jülich eine Möglichkeit gefunden, die Effizienz dieser Speicherung noch einmal zu verdoppeln. „Statt als Substrat einfaches Silizium zu verwenden wie bisher, nutzen wir einen Piezokristall“, erläutert Mariia Filianina, Wissenschaftlerin an der JGU. „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 einstellen – quasi ‚on the fly'“, sagt Filianina. Kurzum: Über die elektrische Feldstärke, die man an den Piezokristall anlegt, lässt sich 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 Forscherinnen und 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, Doktorandin in der Exzellenz-Graduiertenschule „Materials Science in Mainz“ und dem Max Planck Graduate Center. „Ich freue mich, dass die Zusammenarbeit mit den Kollegen vom Forschungszentrum Jülich so gut funktioniert. Nur mit Hilfe der theoretischen Analyse der Kollegen konnten wir die Beobachtungen erklären und ich freue mich auf die weitere Zusammenarbeit im Rahmen des kürzlich gemeinsam eingeworbenen ERC Synergy Grants“, sagt Prof. Dr. Mathias Kläui, der die experimentellen Arbeiten koordiniert hat.

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