Ultraszybki zapis informacji

W ostatnich latach nasza praca oraz życie osobiste coraz bardziej ulegają cyfryzacji poprzez codzienne generowanie ogromnej ilości danych. Gwałtowny przyrost informacji, którą trzeba zmagazynować, przetworzyć i przesłać, stanowi wyzwanie dla naukowców z całego świata, pracujących nad nowymi technologiami związanymi z zapisem i obróbką danych cyfrowych. Rekordową szybkość, a zwłaszcza wydajność zapisu udało się osiągnąć zespołowi badawczemu z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku.

Polscy fizycy odkryli metodę ultraszybkiego i niezwykle efektywnego magnesowania z wykorzystaniem ultrakrótkich impulsów laserowych, a wyniki ich prac opublikowały prestiżowe pisma magazynu „Nature”. W ciągu ostatnich lat fizycy udoskonalili nową metodę zapisu oraz uzyskali kolejne przełomowe wyniki, a także ochronę systemu do fotomagnetycznego zapisu i odczytu danych udzieloną przez Amerykański Urząd Patentowy.

Rozwój naszej cywilizacji jest związany z naturalnym i zrównoważonym współistnieniem ludzkości oraz otaczającej nas przyrody. Klimat na ziemi, a zwłaszcza jego zmiany, odgrywają rolę swoistego detektora sygnalizującego czy równowaga ta jest naruszona. W ostatnich latach głównym motorem napędowym postępu gospodarczego i społecznego są technologie cyfrowe, które odgrywają coraz bardziej istotną rolę w ochronie klimatu. Jednak szybko postępująca cyfryzacja powoduje ciągły wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną, która jest niezbędna do funkcjonowania współczesnych centrów IT do magazynowania i przetwarzania danych (Google, Apple, Facebook i in.). Obecnie ponad 5% globalnej produkcji energii elektrycznej jest pochłaniane przez te centra, a wytwarzane ciepło, wraz z dodatkową energią przeznaczoną na chłodzenie urządzeń komputerowych, już teraz stanowi poważne ograniczenie ich wydajności. Tendencja ta wkrótce doprowadzi do zmian niezrównoważonych i sprzecznych z europejską polityką w zakresie efektywności energetycznej i redukcji emisji gazów cieplarnianych.

Według aktualnych statystyk serwisy Google każdego dnia przetwarzają nawet 3,5 miliarda wyszukiwań, a na platformie YouTube codziennie ogląda się ponad 4 miliony filmów. Ponadto, przykładowo na Facebooku umieszczanych jest ponad 350 milionów zdjęć dziennie. Przeglądając internet, przeciętny użytkownik zużywa rocznie około 365 kWh energii elektrycznej, co odpowiada emisji 240 kg dwutlenku węgla do atmosfery. Szacuje się, że ilość danych wyprodukowanych przez naszą cywilizację osiągnęła w 2020 roku już 35 zettabajtów (zettabajt to miliard terabajtów) i liczba ta rośnie wykładniczo.

Ta wzrastająca tendencja wymaga opracowania nowych technologii zapisu i przetwarzania informacji, które spowodują zmniejszenie zużywanej energii, a jednocześnie pozwolą zwiększyć szybkość zapisu i przetwarzania ciągle wzrastającej ilości danych.

Rozwój systemów komputerowych w ostatnich latach powoduje zwiększenie ilości zapisywanych danych, natomiast szybkość, a zwłaszcza energia potrzebna do zapisu informacji, pozostają bez zmian. Najbardziej powszechnie są wykorzystane w urządzeniach pamięci masowych nośniki magnetyczne, ze względu na ich dużą pojemność, trwałość, stabilność i bezkonkurencyjną cenę. Istotą zapisu magnetycznego są zjawiska fizyczne polegające na przełączeniu magnetyzacji i pozostawianiu śladu na nośniku w postaci namagnesowanych mikroobszarów. Każdy obszar przed zapisem ma identyczny kierunek namagnesowania. Odwrócenie kierunku magnetyzacji wybranego obszaru prowadzi do zapisu informacji w sposób binarny – z ‘0’ na ‘1’ lub odwrotnie.

W obecnie dostępnych pamięciach kierunek magnetyzacji zmieniany jest za pomocą pola magnetycznego lub prądu elektrycznego. Technologie te mają jednak swoje fizyczne ograniczenia. Po pierwsze, ograniczona jest szybkość zapisu – w najszybszych obecnie pamięciach typu RAM czas zapisu wynosi kilka nanosekund (nanosekunda to miliardowa część sekundy). Po drugie, podczas zapisu dochodzi do nagrzewania nośnika i wytworzenia niepotrzebnego ciepła, które trzeba odprowadzać, zużywając dodatkową energię.

Rewolucyjną metodę do zapisu danych zaprezentował – a teraz udoskonala – zespół fizyków z Uniwersytetu w Białymstoku pod kierunkiem prof. Andrzeja Stupakiewicza. Już w 2017 roku na łamach czasopisma „Nature” polscy fizycy opublikowali przełomowe wyniki dotyczące zastosowania wyłącznie ultrakrótkich impulsów światła laserowego do fotomagnetycznego zapisu danych w sposób nietermiczny, czyli na zimno. Zmiana polaryzacji liniowej impulsu światła pozwoliła przełączyć magnetyzację, zapisując stan ‘0’ lub ‘1’ w sposób powtarzalny i odwracalny.

Do zapisu polscy fizycy zastosowali optycznie przezroczystą, dielektryczną warstwę granatu itrowo-żelazowego domieszkowanego jonami kobaltu. Jest to materiał syntetyczny, łatwy do uzyskania i tani w produkcji. Jednymi z ważniejszych cech tego materiału, jako potencjalnego nośnika informacji, są mechaniczna trwałość, sprawdzona kilkudziesięcioletnia stabilność magnetyczna oraz odporność na promieniowanie mikrofalowe i rentgenowskie.

Dzięki wykorzystaniu światła naukowcy byli w stanie zapisywać dane w warstwie granatu z bezkonkurencyjną szybkością – nawet tysiąc razy szybciej niż w najszybszych obecnie dostępnych pamięciach typu RAM. Ponadto podczas zapisu – a także i odczytu – informacji, temperatura nośnika magnetycznego wzrasta na tyle nieznacznie, że chłodzenie nie jest potrzebne. Energia zużywana do przełączenia pojedynczego bitu, jak oszacowali fizycy, jest nawet milion razy mniejsza niż w najbardziej obecnie energooszczędnych pamięciach magnetorezystywnych RAM.

W 2018 roku fizycy z UwB otrzymali ochronę Amerykańskiego Urzędu Patentowego na swój wynalazek dotyczący systemu do ultraszybkiego zapisu fotomagnetycznego. Uzyskanie patentu, jak spodziewają się autorzy, da szansę na zainicjowanie rewolucyjnych zmian w wydajności przyszłych systemów komputerowych w zakresie magazynowania i przetwarzania danych. Jak mówią autorzy wynalazku, na świecie nie ma podobnego rozwiązania, które pozwalałoby przekroczyć barierę szybkości zapisu informacji, jednocześnie skutecznie redukując wydzielanie niepotrzebnego ciepła.

– Uzyskanie patentu w prestiżowej i niezwykle konkurencyjnej branży IT potwierdza nowatorski charakter rozwiązania, a to plasuje Uniwersytet w Białymstoku w wąskim gronie polskich uczelni posiadających innowacyjne osiągnięcia w skali międzynarodowej – dodaje prof. Andrzej Stupakiewicz.

Postęp prac zespołu z Białegostoku jest niezwykle obiecujący. Już w 2019 roku badacze odkryli nowe możliwości selektywności i efektywności zapisu fotomagnetycznego, wykorzystując optyczne wzbudzenia rezonansowe w optycznym paśmie telekomunikacyjnym w bliskiej podczerwieni. Wyniki badań opublikowane zostały w prestiżowym czasopiśmie „Nature Communication”.

– W kolejnych badaniach zweryfikowaliśmy następną własną hipotezę naukową i zaprezentowaliśmy sposób, jak bardziej efektywnie niż dotychczas można przełączyć magnetyzację w trakcie zapisu, także 3D – mówi prof. Andrzej Stupakiewicz.

Ponadto białostoccy fizycy uzyskali kolejny imponujący wynik demonstrujący ultraszybką sekwencję zapisu fotomagnetycznego, polegającą na kasowaniu i ponownym zapisie informacji na zimno w sposób wyłącznie optyczny, o rekordowej szybkości. W tym przypadku system pamięciowy może pracować cyklicznie z częstotliwością sięgającą nawet 20 GHz.

Obecnie fizycy prowadzą dalsze badania. Rok 2021 przyniósł kolejne fascynujące wyniki prezentujące efektywność i stabilność zapisu fotomagnetycznego w rekordowo, jak dla urządzeń komputerowych, szerokim zakresie temperatur: od -100°C do +100°C. Poprzez optymalizację nośnika magnetycznego udało się również dwukrotnie zmniejszyć zarówno energię wykorzystaną do zapisu, jak i sam czas zapisu.

Fizycy z UwB liczą, że przyciągną inwestora spośród światowych liderów produkujących pamięci magnetyczne. Pomogą w tym realizowane na Wydziale Fizyki UwB granty badawcze, badawczo-rozwojowe oraz inwestycyjne, kierowane przez prof. A. Stupakiewicza i finansowane przez Fundację na Rzecz Nauki Polskiej, Narodowe Centrum Nauki oraz Ministerstwo Edukacji i Nauki. Ostatnio badacze pozyskali fundusze z prestiżowego programu europejskiego Horizon 2020 w ramach konsorcjum, do którego oprócz białostockiego zespołu fizyków należą wiodące zespoły badawcze w zakresie badań femtomagnetyzmu, jak również przedsiębiorstwa takie jak Hitachi, NXP, Spintec.

Jak tłumaczą fizycy, choć technologia jest stale rozwijana, to miniaturyzacja impulsowego lasera pikosekundowego do zapisu oraz jego koszt muszą się znacznie obniżyć, aby system do zapisu mógł zostać wykorzystany komercyjnie. Progres jest jednak widoczny, a nowa generacja technologii pamięci jest w zasięgu ręki. Natomiast już teraz można stwierdzić, że rozwijana technologia do zapisu i przetwarzania danych będzie najbardziej „zieloną” technologią przyszłości, co ważne – zainicjowaną na Podlasiu.

prof. Andrzej Stupakiewicz

Zdjęcia: UwB / Katarzyna Dziedzik