Memória magnética CoFeB acionada por luz pode reduzir o gasto de energia em data centers

Todo comando que você envia a um assistente de IA acaba sendo processado em algum centro de dados, onde fileiras de máquinas fazem o “trabalho mental” - e consomem eletricidade para isso. Esses prédios já gastam muito e, a cada ano, passam a exigir ainda mais energia.

Um grupo de pesquisa no Japão decidiu atacar uma parte específica desse desafio: a memória responsável por guardar e movimentar a enxurrada de informações. Eles demonstraram uma forma de reescrever essa memória com um clarão de luz, em vez de usar corrente elétrica - e os primeiros resultados chamam atenção.

A memória exige energia

A demanda de eletricidade ligada à computação está subindo rapidamente. Um relatório recente estima que o consumo de energia dos centros de dados no mundo pode praticamente dobrar até 2030, e a fatia associada à IA tende a crescer ainda mais depressa.

Uma parcela considerável dessa energia não vai apenas para “calcular”, mas para armazenar e deslocar dados. Sempre que um chip grava um bit, ele gasta energia e libera calor.

Se a memória puder gravar mais rápido e com menos aquecimento, a “fome” do sistema inteiro diminui. Foi exatamente nesse ponto que uma equipe no Japão concentrou esforços - e a solução que encontraram funciona com luz.

Como a memória funciona hoje

Entre as formas mais confiáveis de armazenamento está a memória magnética, que registra um zero ou um um ao orientar uma região minúscula de material para um lado ou para o outro, como se apontasse “para o norte” ou “para o sul”. Inverter a orientação significa inverter o bit.

Nos chips atuais, essa orientação é escrita com corrente elétrica. O grande benefício é que o dado permanece mesmo quando a energia é desligada. O problema é que forçar corrente através do material tende a ser mais lento e a gerar muito calor.

Com a IA acumulando volumes crescentes de dados, essas limitações de velocidade e temperatura começam a pesar. Há anos, engenheiros procuram um jeito de gravar bits magnéticos sem esbarrar nesses dois gargalos - e, repetidamente, a corrente elétrica aparece como o ponto fraco.

Gravando na memória com luz

Essa busca levou pesquisadores do National Institutes for Quantum Science and Technology (QST) a um efeito incomum: a luz, sozinha, consegue inverter um ímã - sem que a corrente elétrica participe da formação da memória.

O Dr. Seiji Sakai, que lidera o centro de materiais quânticos do instituto, vem perseguindo essa possibilidade há anos.

O fenômeno já havia sido observado em uma classe de ímãs chamada ferrímãs. Porém, esses materiais apresentavam um sinal de leitura fraco demais - insuficiente para distinguir zeros e uns com segurança.

Em memória, a força de leitura é decisiva. Um ponto do material pode até inverter perfeitamente sob iluminação, mas, se o chip não consegue diferenciar “para cima” de “para baixo” depois disso, não há como armazenar informação de forma útil.

O quebra-cabeça do CoFeB

É aqui que entra o CoFeB - uma liga de cobalto, ferro e boro. Ela já é amplamente utilizada como peça-chave na memória magnética de muitos chips, justamente por oferecer uma leitura forte e limpa.

Apesar dessas qualidades, o CoFeB era visto como um candidato improvável para comutação acionada por luz.

As inversões obtidas anteriormente dependiam de receitas com terras raras e de faixas estreitas de temperatura, como indicou um estudo anterior. O CoFeB não se encaixa nessas condições.

O resultado era um impasse persistente: os materiais que invertiam com luz não entregavam leitura confiável, enquanto o material com a melhor leitura nunca havia invertido com luz. Superar essa lacuna foi o motor do novo trabalho.

Construindo a nova pilha

A equipe de Sakai montou uma pilha em camadas de cobalto, gadolínio e CoFeB, ajustada em espessuras atômicas. As camadas foram configuradas para “puxarem” em sentidos opostos, ficando travadas em direções contrárias e fazendo a pilha agir como uma única unidade comutável.

O detalhe engenhoso foi a forma como o CoFeB passou a participar. Em montagens anteriores, uma camada de CoFeB ficava separada, atrás de um espaçador não magnético. Nesta, ela se liga diretamente às camadas vizinhas - sem espaçador, sem ficar “de fora”.

Para verificar que as camadas realmente se acoplavam como planejado, o grupo recorreu ao NanoTerasu, uma instalação de raios X de alta potência no nordeste do Japão. Os feixes mostraram as camadas orientadas em sentidos opostos, até a escala atômica.

Memória acionada por luz é mais rápida

Ao receber um único pulso de laser com duração de meros quatrilionésimos de segundo, a pilha inverteu sua direção magnética sob comando. Nessa abordagem, a luz consegue reverter um ímã cerca de 1,000 vezes mais rápido do que a corrente elétrica - e com muito menos calor.

O motivo de um único clarão provocar a inversão ainda está sendo esclarecido. As evidências do time indicam que a troca ocorre quando a ordem magnética do material colapsa de forma caótica logo após o pulso, e não por meio da barreira usual que mantém a direção estável.

Para uso em memória, outro ponto foi tão importante quanto a velocidade: a inversão resistiu à repetição. Eles regravaram o mesmo local muitas vezes, e a pilha continuou alternando de maneira confiável, sugerindo um conjunto mais amplo de materiais que podem valer a tentativa.

O que pode mudar a seguir

Antes deste estudo, comutação por luz e leitura confiável nunca tinham coexistido no mesmo material. Agora, as duas coisas aparecem juntas, em uma pilha de CoFeB que se encaixa nos projetos de junção túnel magnética já usados em chips comerciais. Um artigo marcante já havia descrito essa arquitetura.

“Hoje’s digital society needs memory technologies that are both faster and more sustainable,” disse Sakai.

Esse encaixe é o ganho prático, porque a ideia pode ser incorporada em fábricas existentes, em vez de exigir novas. Chips acionados por luz poderiam reduzir um custo silencioso do boom de IA.

Ainda há muita engenharia entre um resultado de laboratório e um chip à venda, e a equipe segue refinando os materiais.

Eles esperam ver partes ópticas como essas em dispositivos reais dentro de uma década, conectando, com o tempo, luz e eletrônica em uma única peça de silício.