Die aktuelle Forschung an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und der französischen Firma Antaios könnte die Art und Weise, wie Daten in Computern gespeichert werden, revolutionieren. Am 5. Februar 2025 wurde die Entwicklung einer neuen, energieeffizienten Speichertechnologie vorgestellt, die auf Spin-Orbit-Torque (SOT) Magnetic Random-Access Memory (MRAM) basiert. Diese Technologie verspricht nicht nur eine höhere Energieeffizienz, sondern könnte auch statisches RAM in der Computerarchitektur als Cache-Speicher ersetzen. Laut uni-mainz.de liegt der Energieverbrauch von Rechenzentren aktuell bei etwa 1% des weltweiten Gesamtenergieverbrauchs, was ungefähr 200 Terawattstunden pro Jahr entspricht.
Das Forschungsteam hat bei der Entwicklung von SOT-MRAM mehrere wesentliche Vorteile festgestellt. Die Technologie zeichnet sich durch ihre Nichtflüchtigkeit und überlegene Leistung im Vergleich zu herkömmlichem statischen RAM aus. Dennoch stehen den Forschern verschiedene Herausforderungen gegenüber, einschließlich der Reduzierung des hohen Eingangsstroms während des Schreibvorgangs und der Gewährleistung einer thermischen Stabilität, die eine Datenspeicherungsdauer von über 10 Jahren ermöglicht.
Technologische Herausforderungen und Lösungen
Ein zentraler Aspekt der Forschung ist die Entwicklung eines neuen magnetischen Materials, das Ruthenium als SOT-Kanal verwendet. Diese neuartigen Materialien haben es den Wissenschaftlern ermöglicht, den Gesamtenergieverbrauch im Vergleich zu bestehenden Technologien um über 50% zu senken und die Effizienz um 30% zu steigern. Die Reduzierung des erforderlichen Eingangsstroms um 20% ist ein weiterer Fortschritt, der die Lebensdauer der Datenspeicherung auf über 10 Jahre sichert. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht und belegen die Erfolge des Teams, das den orbitalen Hall-Effekt (OHE) genutzt hat, um die Energieeffizienz weiter zu verbessern.
Die Studie legt auch dar, dass die Multilayer-Strukturen von [Co(0.2)/Ni(0.6)]n auf OHE-Schichten wie Ru(2), Nb(2) und Cr(2) abgeschieden wurden. Für optimale Ergebnisse wurde eine 1.5 nm dicke Pt-Schicht als Interlayer eingesetzt. Die Magnetisierungsumkehr und die Torque-Effizienten wurden in diesem Kontext präzise analysiert, wobei Ru/Pt als SOT-Schicht eine signifikante Reduktion des kritischen Stroms um ca. 20% im Vergleich zu reinem Pt aufwies.
Implikationen für Rechenzentren und den Energiebedarf
Rechenzentren sind für die Bereitstellung von Cloud-Diensten, Künstlicher Intelligenz, dem Internet der Dinge und anderen digitalen Anwendungen entscheidend. Der Stromverbrauch deutscher Rechenzentren betrug 2023 etwa 20 Terawattstunden (TWh) pro Jahr und könnte bis 2030 auf 35 TWh und bis 2045 auf bis zu 88 TWh ansteigen. Dieser Anstieg ergibt sich aus der zunehmenden Nutzung dieser Technologien, was laut rechenzentren.org Herausforderungen für die elektrische Infrastruktur mit sich bringt.
Um den Energieverbrauch zu optimieren, müssen Betreiber innovative Kühltechniken und hardwareeffiziente Designs umsetzen. Zukünftige Technologien wie Künstliche Intelligenz könnten Einsparungen von bis zu 30% im Energieverbrauch ermöglichen. Auch Wärmerückgewinnung und die Nutzung erneuerbarer Energien sind essentielle Ansätze, um die Umweltauswirkungen von Rechenzentren zu reduzieren.
Die Forschung an SOT-MRAM bietet nicht nur Fortschritte in der Speichertechnologie, sondern könnte auch einen bedeutenden Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung von Rechenzentren leisten. Die Kombination von technologischen Innovationen und der Notwendigkeit, digitale Souveränität zu sichern, stellt die Branche vor eine entscheidende Herausforderung. Die Vernetzung von Betreibern, Politikern und Forschungseinrichtungen wird als Schlüssel zur Entwicklung effizienter und nachhaltiger Rechenzentren gesehen.
