CoFeB-Speicher: Licht statt Strom für schnellere KI-Chips

Jede Anfrage, die Sie an einen KI-Assistenten schicken, wird letztlich in einem Rechenzentrum verarbeitet. Dort übernehmen Reihen von Maschinen die Rechenarbeit – und benötigen dafür Strom. Diese Gebäude haben einen enormen Energiebedarf, der weiter wächst.

Eine japanische Forschungsgruppe nimmt einen Teil dieses Problems ins Visier: den Speicher, der all diese Daten sichert und überträgt. Ihr Ansatz schreibt den Speicher nicht mit elektrischem Strom, sondern mit einem Lichtblitz um – und die ersten Ergebnisse sind bemerkenswert.

Speicher benötigt Energie

Der Strombedarf der Datenverarbeitung steigt rasant. Einer aktuellen Prognose zufolge könnte sich der Energieverbrauch der weltweiten Rechenzentren bis 2030 in etwa verdoppeln, wobei der Anteil der KI noch schneller zunehmen dürfte.

Ein großer Teil dieser Energie wird nicht allein für Berechnungen aufgewendet, sondern für das Verschieben und Speichern von Informationen. Jedes Mal, wenn ein Chip ein Datenbit schreibt, verbraucht er Energie und erzeugt Wärme.

Wird dieser Speicher schneller und kühler, sinkt auch der Energiehunger des gesamten Systems. Genau an diesem Punkt setzte ein Team in Japan an – mit einer Lösung, die Licht nutzt.

So funktioniert Speicher heute

Zu den zuverlässigsten Speichertechnologien gehört magnetischer Speicher. Er kodiert eine Eins oder Null, indem ein winziger Materialbereich nach Norden oder Süden ausgerichtet wird. Ändert sich diese Richtung, ändert sich auch das Bit.

Heutige Chips erzeugen diese Ausrichtung mithilfe von elektrischem Strom. Die gespeicherten Daten bleiben auch nach einer Stromunterbrechung erhalten, was ein wesentlicher Vorteil ist. Das Durchleiten von Strom durch das Material ist jedoch langsam und verursacht viel Wärme.

Mit den wachsenden Datenmengen der KI werden die Grenzen bei Geschwindigkeit und Wärmeentwicklung immer spürbarer. Ingenieurinnen und Ingenieure suchen deshalb seit Jahren nach einer Methode, magnetische Bits ohne diese beiden Nachteile zu schreiben – doch elektrischer Strom bleibt dabei stets der Engpass.

Speicher mit Licht beschreiben

Diese Suche führte Forschende der National Institutes for Quantum Science and Technology (QST) zu einem ungewöhnlichen Effekt: Licht allein kann einen Magneten umpolen, ohne dass beim Schreiben des Speichers Strom beteiligt ist.

Dr. Seiji Sakai, Leiter des Zentrums für Quantenmaterialien des Instituts, erforscht dieses Phänomen seit Jahren.

Zuvor war der Effekt bei einer Klasse von Magneten beobachtet worden, den Ferrimagneten. Beim Auslesen lieferten diese Materialien jedoch nur ein schwaches Signal – zu schwach für zuverlässig unterscheidbare Einsen und Nullen.

Für Speicher ist die Stärke des Auslesesignals entscheidend. Ein Bereich kann sich unter Lichteinfluss zwar sauber umpolen, doch wenn ein Chip anschließend nicht zwischen oben und unten unterscheiden kann, eignet er sich nicht zur Datenspeicherung.

Das CoFeB-Problem

Hier kommt CoFeB ins Spiel – eine Legierung aus Kobalt, Eisen und Bor. Sie ist bereits ein bewährtes Material für magnetischen Speicher in vielen Chips und wird wegen ihres starken, klaren Auslesesignals geschätzt.

Trotz dieser Vorteile galt CoFeB als ungeeignet für lichtgesteuertes Umschalten.

Die bisher erzielten Umschaltungen beruhten, wie eine frühere Studie zeigte, auf Rezepturen mit Seltenen Erden und engen Temperaturfenstern. CoFeB erfüllt diese Voraussetzungen nicht.

Damit bestand in der Forschung eine hartnäckige Lücke: Materialien, die sich durch Licht umpolen ließen, konnten nicht zuverlässig ausgelesen werden. Das Material mit dem besten Auslesesignal hatte sich dagegen nie per Licht umschalten lassen. Diese Lücke zu schließen, war das Ziel der neuen Arbeit.

Aufbau des neuen Schichtsystems

Sakais Team entwickelte einen mehrlagigen Aufbau aus Kobalt, Gadolinium und CoFeB, dessen Schichtdicken auf atomarer Ebene abgestimmt wurden. Die Lagen ziehen in entgegengesetzte Richtungen, sodass sie sich gegenseitig in gegenläufigen Ausrichtungen festlegen und der Stapel als eine schaltbare Einheit wirkt.

Entscheidend war dabei die Einbindung von CoFeB. In früheren Schichtsystemen lag eine CoFeB-Schicht seitlich hinter einem nichtmagnetischen Abstandshalter. In diesem Fall war sie direkt mit ihren Nachbarschichten verbunden. Kein Abstandshalter, keine isolierte Position.

Um zu überprüfen, ob die Lagen wie vorgesehen gekoppelt waren, nutzte das Team NanoTerasu, eine leistungsstarke Röntgenanlage im Nordosten Japans. Deren Strahlen zeigten, dass die Schichten einander bis hinunter zur atomaren Ebene in entgegengesetzte Richtungen ziehen.

Lichtgesteuerter Speicher arbeitet schneller

Ein einzelner Laserpuls von nur wenigen Billiardstel Sekunden genügte, um die magnetische Ausrichtung des Stapels gezielt umzupolen. Auf diese Weise kann Licht einen Magneten etwa 1.000-mal schneller als elektrischer Strom umkehren – und dabei deutlich weniger Wärme erzeugen.

Warum ein einziger Lichtblitz diesen Effekt auslösen kann, wird noch untersucht. Die Hinweise des Teams deuten darauf hin, dass die Umschaltung entsteht, weil die magnetische Ordnung des Materials unmittelbar nach dem Puls chaotisch zusammenbricht, und nicht weil die übliche Barriere überwunden wird, welche die Richtung stabil hält.

Ebenso wichtig für den Speichereinsatz war die Wiederholbarkeit der Umschaltung. Die Forschenden beschrieben dieselbe Stelle wiederholt neu, und der Stapel kehrte seine Ausrichtung jedes Mal zuverlässig um. Das weist auf eine breitere Auswahl an Materialien hin, die sich untersuchen lassen könnten.

Was sich als Nächstes ändern könnte

Bis zu dieser Arbeit waren lichtgesteuertes Umschalten und zuverlässiges Auslesen nie im selben Material vereint. Nun ist beides in einem CoFeB-Schichtsystem möglich, das zu den magnetischen Tunnelübergangs-Designs passt, die bereits in kommerziellen Chips verwendet werden. Eine wegweisende Veröffentlichung hatte diese Architektur zuvor beschrieben.

„Die heutige digitale Gesellschaft braucht Speichertechnologien, die sowohl schneller als auch nachhaltiger sind“, sagte Sakai.

Diese Kompatibilität ist der praktische Vorteil, weil sich die Idee eher in bestehende Fabriken integrieren ließe als den Bau neuer Anlagen zu erfordern. Lichtgesteuerte Chips könnten einen bisher wenig beachteten Kostenfaktor des KI-Booms senken.

Zwischen einem Laborexperiment und einem kaufbaren Chip liegen jedoch noch zahlreiche technische Schritte, und das Team arbeitet weiter an der Optimierung der Materialien.

Die Forschenden rechnen damit, dass optische Komponenten dieser Art innerhalb eines Jahrzehnts in realen Geräten eingesetzt werden und Licht sowie Elektronik schließlich auf einem einzigen Siliziumstück verbinden.