Một số trung tâm AI lớn đang tiêu thụ lượng điện tương đương với một đô thị nhỏ, làm dấy lên lo ngại về chi phí điện năng và tác động đến môi trường. Các nhà khoa học hiện đang tìm kiếm các loại bộ nhớ máy tính mới có thể xử lý, lưu trữ dữ liệu với mức tiêu thụ điện thấp hơn nhiều.

Các nhà nghiên cứu từ POSTECH và Đại học quốc gia Chungnam, Hàn Quốc có thể đã tìm ra một khám phá quan trọng. Công nghệ bộ nhớ mới của họ, lưu trữ thông tin bằng cách sử dụng sự thay đổi nhỏ về nhiệt độ thay vì dòng điện lớn, làm giảm đáng kể mức tiêu thụ điện. Nghiên cứu này đăng trên tạp chí Advanced Functional Materials.

Hệ thống mới này dựa trên một lĩnh vực gọi là điện tử spin (spintronics). Điện tử truyền thống lưu trữ và xử lý thông tin bằng cách sử dụng điện tích của các electron. Điện tử spin thì khác, nó sử dụng một thuộc tính gọi là “spin”, có thể hiểu là hướng từ tính cực nhỏ của electron.

Trong các thiết bị điện tử spin, các hướng spin khác nhau biểu thị cho các số nhị phân 0 và 1 được sử dụng trong điện toán kỹ thuật số. Điện tử spin thu hút sự chú ý, vì nó có thể cho phép tính toán nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

Tuy nhiên, hầu hết hệ thống bộ nhớ điện tử spin hiện có đều yêu cầu dòng điện mạnh để chuyển hướng spin. Các dòng điện này tạo ra nhiệt và lãng phí điện năng rất lớn. Nhóm nghiên cứu muốn tránh vấn đề này bằng cách điều khiển spin bằng nhiệt độ, thay vì dùng điện.

Các nỗ lực trước đây trong việc chuyển hướng spin dựa trên nhiệt độ gặp phải một thách thức lớn. Khi nhiệt độ trở lại bình thường, hướng spin thường cũng chuyển ngược lại, có nghĩa là bộ nhớ không thể lưu trữ thông tin một cách đáng tin cậy theo thời gian.

Các nhà nghiên cứu giải quyết vấn đề này, bằng cách sử dụng hiện tượng gọi là trễ nhiệt. Nói một cách đơn giản, điều này có nghĩa là hệ thống có thể duy trì trạng thái đã thay đổi, ngay cả sau khi tác nhân kích hoạt ban đầu đã được loại bỏ.

Để tạo ra hiệu ứng này, nhóm nghiên cứu xây dựng một cấu trúc sử dụng hai vật liệu từ tính, gọi là gadolinium iron garnet và holmium iron garnet. Các vật liệu này phản ứng khác nhau với sự thay đổi nhiệt độ, tạo ra một loại cạnh tranh từ tính giữa chúng.

Các nhà khoa học so sánh quá trình này với trò chơi kéo co. Mỗi vật liệu kéo hướng từ tính của hệ thống theo một cách khác nhau. Khi nhiệt độ thay đổi, một phía trở nên mạnh hơn và cuối cùng kéo hệ thống vào một trạng thái ổn định mới.

Điều quan trọng là hệ thống bộ nhớ không chuyển đổi trở lại ngay lập tức khi nhiệt độ thay đổi. Thay vào đó, trạng thái từ tính vẫn ổn định, cho phép bộ nhớ lưu trữ thông tin mà không cần nguồn điện liên tục. Điều này được gọi là bộ nhớ không biến đổi.

Nhóm nghiên cứu đã chuyển đổi thành công trạng thái bộ nhớ chỉ bằng sự thay đổi nhỏ nhiệt độ khoảng 25 độ K và một từ trường tương đối yếu. So với các công nghệ bộ nhớ mô-men xoắn spin-quỹ đạo hiện tại, phương pháp mới giảm mức tiêu thụ điện lên đến 66 lần. Trong điều kiện lý tưởng, mức giảm có thể đạt tới 452 lần.

Mặc dù công nghệ này vẫn đang giai đoạn nghiên cứu, nhưng công trình này cho thấy, các thiết bị bộ nhớ có thể hoạt động bằng cách sử dụng sự thay đổi nhỏ nhiệt độ thay vì dòng điện lớn. Nó có thể giúp tạo ra các hệ thống bộ nhớ siêu tiết kiệm điện cho máy tính AI, thiết bị di động và các trung tâm dữ liệu trong tương lai.