Onderzoek in Nijmegen: Werken aan energiezuinige dataverwerking

We zijn dagelijks druk in de weer met onze slimme telefoon en de computer. Wat we ons nauwelijks realiseren, is dat de verwerking en opslag van al die digitale informatie in datacenters energie vreet. Het digitale dataverkeer inperken is geen optie, een snelle en energiezuinige manier van verwerking wel. Het wetenschappelijke onderzoek dat Alexey Kimel, hoogleraar Natuurkunde aan de Radboud Universiteit Nijmegen, doet naar magnetisme speelt hierbij een hoofdrol.

‘De doorsnee computer- en smartphonegebruiker heeft geen idee van de impact van deze apparaten op het energieverbruik. Als we doorgaan zoals nu, is over twintig jaar alle energie in de wereld nodig voor alleen maar dataopslag’, stelt Alexey Kimel, hoogleraar Natuurkunde aan de Radboud Universiteit Nijmegen. ‘Waanzinnig natuurlijk en daarom zoeken we als wetenschappers naar andere, snelle en energiezuinige manieren van dataopslag.’werken-alexey-kimel-ru-liggend-2

Ompolen

Alexey Kimel legt uit hoe digitale data tot stand komen: ‘Computers communiceren via een taal, die uit twee tekens bestaat, ofwel bits: 0 en 1. Het geheugen van een computer bestaat uit biljoenen bits en elke bit is een magneetje. Een magneetje met een ‘noordpool’ omhoog staat voor 1 en een magneetje met de ‘noordpool’ omlaag staat voor 0. Om in plaats van een 0 een 1 op te slaan gebruiken we een elektromagneet. We brengen dan de elektromagneet tegen een magneetje aan en doen de stroom aan, waardoor de polen in de magnetische bit van richting veranderen. Ompolen noemen we dat.’

Datacentra zijn energieslurpers

‘Om informatie weg te kunnen schrijven, moet die ompoling supersnel gebeuren. Dat duurt ongeveer een miljardste seconde. Best snel. Het probleem is dat bij elke ompoling energie vrijkomt in de vorm van warmte, dus moet je koelen, want boven een bepaalde temperatuur verdwijnt de magnetische ordening en dus ook de opgeslagen data. Datacentra zijn daarom echte energieslurpers.’

De zoektocht naar snellere en energiezuinige dataopslag is al jaren gaande. ‘De oplossing was het vinden van mogelijkheden voor supersnelle magnetische opslag zonder hitte én zonder elektromagneten’, schetst Alexey Kimel. ‘Aan het vinden en uitbouwen van zo’n opslagmethode werken we inmiddels meer dan twintig jaar. Het was, en is nog steeds, het in kaart brengen van onbekend wetenschappelijk terrein. Binnen de bestaande natuurkunde kon wat we wilden gewoonweg niet.’

Doorbraak: korte laserpulsen

’Hoewel het idee onhaalbaar leek, lukte het ons in 2006 met korte laserpulsen magneten om te polen. Inmiddels gebruiken we bij onze experimenten met dataopslag een nieuw materiaal, ijzergranaat. Met korte pulsen laserlicht op het ijzergranaat komt er bij de dataopslag nauwelijks hitte vrij’, vertelt Alexey Kimel enthousiast. ‘Vervolgens zijn we verder gaan experimenteren, waarbij we ons richten op de snelheid van het ompolen en het minimaliseren van het energiegebruik.’

Femtoseconden

‘We zijn nu zo ver dat we met één laserpuls van veertig femtoseconden, schrik niet, één femtoseconde is gelijk aan een miljoenste van een biljardste van een seconde, de magneten kunnen ompolen. En we kunnen gecontroleerd nullen en enen schrijven op de ijzergranaatfilm en die ook weer uitlezen in minder dan twintig picoseconde, Eén picoseconde is gelijk aan een miljoenste van een miljoenste seconde. Hierbij komt bijna geen warmte vrij.’

Vrij durven denken

‘We zijn als wetenschappers zover gekomen dankzij onze vrije manier van denken en durven doen. Je moet niet bang zijn voor het onbekende of om fouten te maken. Elke uitkomst is een stap waar je van leert en kennis mee vergroot’, betoogt Alexey Kimel. ‘Ik vergelijk het met componeren. Je hebt een idee en je begint met een blanco vel. In dit geval is dat het wetenschappelijk onbekend gebied.’werken-alexey-kimel-ru-liggend

Wetenschappers van de toekomst

‘Waar we nu staan is fantastisch, maar het zal nog wel dertig tot vijftig jaar duren voordat supersnelle en superzuinige computers en datacenters op basis van deze technologie worden gebouwd’, benadrukt Alexey Kimel. ‘De maatschappelijke druk om het energieverbruik terug te dringen is groot. Wetenschappelijk onderzoek wordt daarom extra gestimuleerd, waardoor het tempo van verandering toeneemt. Het is aan de wetenschappers van de toekomst om hier hun ideeën en wetenschappelijke experimenteerdrift op los te laten.’

Dit artikel verscheen eerder op Tech Gelderland.

Dit vind je misschien ook interessant...