Data-opslag met licht kost minder energie

Wegschrijven van grote hoeveelheden gegevens op de harde schrijf van een computer slurpt energie. Nijmeegse fysici hebben een zuiniger methode bedacht: data opslaan met behulp van laserlicht.

foto AP/Google, Connie Zhou

Een mensenbrein is ongelofelijk efficiënt. Zouden de bits in een computer even vaak schakelen als de neuronen in het brein per seconde vuren, dan verbruikte zo’n computer 500 kiloWatt. „Deden onze hersenen dat, dan zou ons hoofd verdampen”, zegt fysicus en Spinozaprijswinnaar Theo Rasing.

Computers slurpen energie, wil hij maar zeggen. Wanneer ze rekenen, én wanneer ze gegevens opslaan op een harde schijf. Met dat laatste houdt Rasing zich aan de Radboud Universiteit in Nijmegen bezig. Althans: op een ver, fundamenteel niveau.

Rasing magnetiseert minuscule gebiedjes in materialen. Dat is in principe vergelijkbaar met het schrijven van de bits op een harde schijf. Klapt het magneetveld in de ene richting, dan schrijf je een ‘0’ op het materiaaloppervlak, klapt het de andere kant uit, dan staat er een ‘1’.

Maar in plaats van de traditionele elektromagneet, gebruikt Rasing hiervoor licht. Dat bespaart energie. En slimme structuren op het materiaaloppervlak, maken het proces nóg efficiënter (Nature Communications, 12 januari).

Energieverbruik groeit hard

Dat is niet zo maar grappig of interessant, zegt Rasing. „De dataopslag groeit en groeit, en het bijbehorende energieverbruik groeit mee. Het gaat harder dan de wet van Moore.”

Volgens die wet (die misschien eerder een self fulfilling prophecy is) verdubbelt het aantal transistoren (schakelingen) per oppervlakte-eenheid in een computer elke twee jaar – en daarmee verdubbelen ook de snelheid en capaciteit van computers. Maar het energieverbruik stijgt harder – vooral in de dataopslag en dat komt doordat mensen steeds meer draadloze apparatuur gebruiken en hun gegevens steeds vaker opslaan in de cloud, een wereldomspannend netwerk van computerservers.

Zet dat door, dan zullen die servers tegen 2050 jaarlijks evenveel energie verbruiken als de hele Europese Unie nu, zo rekende Rasing laatst uit voor een onderzoeksvoorstel. Een zuiniger alternatief voor dataopslag – zoals allicht met laserlicht – is dus welkom.

Magnetische domeinen

Al in 2007 liet Rasing met collega’s zien dat je op een materiaaloppervlak magnetische domeinen (zoals bits dus) kunt maken door ze met laserlicht te beschijnen (Physical Review Letters, 27 juli 2007). Rasing: „Vooraf zei iedereen: dat lukt nooit. Achteraf leek het uiteraard logisch.”

Het mooie was dat ultrakorte laserpulsen volstonden. Tegenwoordig werkt Rasing’s groep zelfs met pulsen van de orde van een femtoseconde (een biljardste van een seconde). Ofwel: licht schrijft een bit sneller dan de elektromagneet uit de traditionele harde schijf dat doet. Zou zo’n gepulseerde laserbundel razendsnel een materiaaloppervlak aftasten, dan was bovendien de elektromotor overbodig die nu nog de harde schijf laat draaien en die dé energievreter in de dataopslag is.

Een razendsnel en superzuinig alternatief dus, licht. Op papier. Want er zijn nog wel wat obstakels. Het proces was, en is, bijvoorbeeld fysisch niet goed verklaarbaar.

Vervelender: de magnetische domeinen waren 10 bij 10 micrometer – 10.000 keer groter dan echte bits. En het focusseren van de laserbundel zodat die kleinere gebiedjes bestrijkt (bijvoorbeeld via nano-antennes op het materiaaloppervlak) is pas écht onbegonnen werk.

Soelaas

In Nature Communications beschrijven Rasing en collega’s nu een verschijnsel dat misschien soelaas biedt. Het was een toevallige vondst: promovendus Loic Leguyader had een oppervlakje (5 bij 5 micrometer) van een gemagnetiseerde legering van zeldzame aardmetalen (GdFeCo) met laserlicht beschenen. Gek genoeg was het magneetveld in dat gebiedje niet overal omgeklapt. Het was uiteengevallen in deelgebiedjes waarin dat wel (op de opname zwart) en niet (op de opname wit) was gebeurd. Zo was een patroon ontstaan dat nog het meest leek op Batman.

De structuur van een materiaaloppervlak bepaalt of het magneetveld lokaal omklapt onder invloed van licht, begrepen Rasing en Leguyader. En zo was het, lieten vervolgproeven en simulaties met de collega’s uit Japan (die ook de materialen prepareerden) en Zwitserland (die ook de opnames achteraf maakten) zien.

Interferentie - waarbij lichtgolven die wel of juist niet in de pas lopen elkaar versterken dan wel uitdoven - speelt er een sleutelrol in. „Dat biedt perspectief”, vindt Rasing. „We begrijpen slecht hoe licht een magneetveld laat omklappen. Maar we begrijpen nu wél hoe het spel tussen lichtgolven en structuren tot deze patronen leidt. Zo kunnen we de zaak omdraaien.”

Niet: licht focusseren om kleinere magnetische domeinen te maken. Wel: slimme structuren gebruiken. Met één puls van een ‘gewone’ laserbundel, schrijf je dan in één klap een heleboel bits weg - in dat door de structuur bepaalde patroon.

Rasing: „Zo zou je parallel, dus tegelijkertijd, data kunnen wegschrijven. Interessant, omdat men ook bezig is met het parallel verpakken van data in licht, en met parallel rekenen.”

Het zou wel een compleet andere architectuur vergen van de dataopslag - nu nog nullen en enen die één voor één worden geschreven en gelezen.

En er zijn meer slagen om de arm. Rasing: „Echte bits zijn nog steeds duizend maal kleiner dan ‘onze’ deelgebiedjes. Verder is het alleen zinnig om licht te gebruiken voor dataopslag, als je data ook verzendt met licht en allicht rekent met licht. Bovendien werken wij met zeldzame aardmetalen, terwijl je in industriële toepassingen gangbaarder materialen wilt gebruiken. Enfin, alle oplossingen heb ik zeker niet.”

Anderzijds: „We móeten iets verzinnen op dat energieverbruik. En is dat licht, dan moet je licht niet dwingen de oude methoden te volgen. Dan moet je juist spelen met de unieke mogelijkheden die het biedt, zoals deze.”