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Data Storage 2.0 Piezokristall ebnet Weg zum energieeffizienten Server

| Redakteur: Jürgen Schreier

Ein Forscherteam der Universität Mainz hat eine Technik entwickelt, die den Energieaufwand für das Schreiben von Daten auf Server potenziell halbiert und den Aufbau komplexer Serverarchitekturen erleichtert.

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Das Datenvolumen wächst und mit ihm der Stromverbrauch für die Datenspeicherung.
Das Datenvolumen wächst und mit ihm der Stromverbrauch für die Datenspeicherung.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Egal, ob es darum geht, den Großeltern ein paar Bilder der Kinder zu schicken, einen Film oder Musik zu streamen oder stundenlang im Internet zu surfen - das Datenvolumen, das unsere Gesellschaft erzeugt, nimmt ständig zu. Doch das hat seinen Preis. Schließlich verbraucht die Speicherung der Daten enorme Mengen an Energie.

So wird beispielsweise prognostiziert, dass der Energieverbrauch im IT-Sektor bis 2030 auf zehn Petawattstunden oder zehn Billionen Kilowattstunden ansteigen wird. Dies entspräche etwa der Hälfte der weltweit produzierten Elektrizität.

Das Problem: Daten werden in der Regel mit Hilfe von Magnetisierung in einer Speicherschicht gespeichert. Um die Daten zu schreiben oder zu löschen, werden elektrische Ströme durch ferromagnetische Mehrschichtstrukturen geleitet, in denen die fließenden Elektronen ein wirksames Magnetfeld erzeugen. Die Magnetisierung in der Speicherschicht "spürt" dieses Magnetfeld und ändert seine Richtung entsprechend. Jedes Elektron kann jedoch nur einmal verwendet werden.

Ein wichtiger Fortschritt bei der energieeffizienten Datenspeicherung ist die Konstruktion einer ferromagnetischen Speicherschicht, die ein Schwermetall wie Platin enthält. Wenn der Strom durch das Schwermetall fließt, wechseln die Elektronen zwischen dem Schwermetall und der ferromagnetischen Schicht hin und her. Der große Vorteil dieser Technik besteht darin, dass die Elektronen mehrfach wiederverwendet werden können und der zum Schreiben der Daten erforderliche Strom um einen Faktor von bis zu tausend abnimmt.

Piezoelektrisches Kristall verdoppelt Effizienz des Speicherprozesses

Ein Forscherteam der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat nun in Zusammenarbeit mit Forschern des Forschungszentrums Jülich einen Weg gefunden, die Effizienz dieses Speicherverfahrens noch einmal zu verdoppeln. "Statt wie üblich einfaches Silizium als Substrat zu verwenden, setzen wir ein piezoelektrisches Kristall ein", erklärt JGU-Wissenschaftlerin Mariia Filianina. "Darauf befestigen wir die Schwermetallschicht und die ferromagnetische Schicht".

Wird ein elektrisches Feld an den piezoelektrischen Kristall angelegt, erzeugt es mechanische Spannungen im Kristall. Dies wiederum erhöht die Effizienz des magnetischen Schaltens der Speicherschicht, dem Element, das für die Datenspeicherung sorgt. Das Ausmaß der Effizienzsteigerung wird durch das System und die Stärke des elektrischen Feldes bestimmt.

"Wir können die Veränderung des Wirkungsgrades direkt messen und folglich die entsprechende Feldstärke anpassen - und zwar im laufenden Betrieb", sagte Filianina. Mit anderen Worten, es ist möglich, die Wirksamkeit des magnetischen Schaltprozesses direkt zu steuern, indem man die Stärke des elektrischen Feldes, dem der piezoelektrische Kristall ausgesetzt ist, anpasst.

Dies geht nicht nur mit einer deutlichen Reduzierung des Energieverbrauchs einher, sondern ermöglicht auch die Verwendung komplexer Architekturen zur Informationsspeicherung. Die Forscher schlagen vor, dass das elektrische Feld nur an einer kleinen Fläche des piezoelektrischen Kristalls angelegt wird. Dies hat zur Folge, dass die Schalteffizienz nur an dieser Stelle zunimmt.

Multi-Level-Speicher problemlos realisieren

Stellt man das System nun so ein, dass die Spindrehmomente der Elektronen nur dann geschaltet werden können, wenn die Dehnung im piezoelektrischen Kristall verstärkt wird, lässt sich die Magnetisierung lokal verändern. "Mit dieser Methode können wir problemlos Multi-Level-Speicher und komplexe Server-Architekturen realisieren", erklärte Filianina, Doktorandin an der Graduiertenschule für Materialwissenschaften in Mainz und am Max-Planck-Graduiertenzentrum.

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