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Le memorie dei computer potrebbero sfiorare un limite della fisica
I ricercatori dell’Università di Edimburgo hanno sviluppato un quadro teorico per ridurre l’energia necessaria a modificare l’informazione nelle future memorie magnetiche. Il lavoro, pubblicato su Advanced Materials, descrive come progettare impulsi capaci di cambiare gli stati magnetici con consumi molto inferiori a quelli delle tecnologie prese come riferimento. Le simulazioni indicano una possibile riduzione di diversi ordini di grandezza: una prospettiva che riguarda, per ora, modelli e calcoli, senza una dimostrazione su dispositivi reali.
Nelle memorie magnetiche, l’informazione viene rappresentata attraverso stati magnetici distinguibili, associati ai valori binari 0 e 1. Modificare questi stati permette di cambiare i dati memorizzati, ma richiede energia. Il gruppo guidato da Elton Santos, dell’Institute for Condensed Matter Physics and Complex Systems, ha studiato come rendere più efficiente questo passaggio intervenendo sull’andamento temporale del campo magnetico che lo provoca.
Lo strumento matematico scelto è la teoria del controllo ottimale, che permette di cercare il modo più efficiente per portare un sistema a una condizione desiderata. Applicandola alla magnetizzazione, i ricercatori hanno progettato impulsi di campo magnetico ultrarapidi che minimizzano l’energia necessaria alla commutazione. I calcoli includono anche vincoli sperimentali realistici, così da tenere conto di alcune delle limitazioni che incontrerebbe una futura realizzazione in laboratorio.
Secondo le simulazioni, l’energia di commutazione potrebbe diminuire di diversi ordini di grandezza rispetto alle tecnologie considerate nel confronto, comprese DRAM, STT-MRAM e le emergenti SOT-MRAM. Queste sigle comprendono memorie con meccanismi di funzionamento differenti: il confronto riguarda l’energia dell’operazione analizzata. Il risultato non dimostra quindi una riduzione equivalente dei consumi di un intero computer o di un centro dati, che dipendono anche da elaborazione, trasferimento delle informazioni e altri componenti.
Le energie previste si avvicinano al limite di Landauer, un riferimento fondamentale della termodinamica dell’informazione. Più precisamente, questo limite riguarda l’energia minima da dissipare nella cancellazione logicamente irreversibile di un bit, a una determinata temperatura; non è un costo universale identico per qualsiasi operazione digitale. Avvicinarsi a tale riferimento richiederebbe un controllo molto efficiente del processo fisico, ma lo studio non dimostra che una memoria completa abbia già raggiunto quel livello.
Il lavoro comprende indicazioni per una possibile verifica sperimentale, con proposte sulla progettazione dei dispositivi e sui metodi per applicare i campi magnetici. Sono passaggi necessari per capire quanto delle prestazioni previste possa essere ottenuto fuori dalle simulazioni. Una pubblicazione scientifica del modello, infatti, non sostituisce la misura dell’energia effettivamente richiesta da un dispositivo e dai sistemi impiegati per controllarlo.
Secondo Santos, la struttura matematica potrebbe essere adattata anche a correnti elettriche e impulsi laser ultrarapidi, ampliando le modalità con cui controllare la memorizzazione dei dati. Si tratta di possibili sviluppi, ancora da verificare. La crescita dei servizi digitali e dell’intelligenza artificiale rende intanto sempre più pressante la ricerca di operazioni meno dispendiose: questo studio propone una strada fisica precisa, la cui efficacia pratica dovrà essere misurata in laboratorio.
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