Tietokoneet haaskaavat valtavasti energiaa – nyt tutkijat kehittävät laskentaa, joka tuottaa huomattavasti vähemmän hukkalämpöä

Valtaosa nykyisten datakeskuksien energiankulutuksesta menee hukkalämmöksi. Nykyiset tietokoneet ovat niin suuria energiasyöppöjä, että niiden on arvioitu voivan haukata pian jopa puolet maailman energiankulutuksesta.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat juuri saaneet merkittävän Tulevaisuuden tekijät -rahoituksen ongelman ratkaisemiseksi.

"Rakennamme prototyypin uudesta laitteesta, joka tuottaa paljon aiempaa vähemmän hukkalämpöä laskennassa ja myös mahdollisesti pystyy nykyistä paljon nopeampaan laskentaan”, sanoo professori Sebastiaan van Dijken Aalto-yliopistosta.

Nykyisten tietokoneiden toiminta perustuu sähkövarauksiin, joita kuljetetaan kapeita kanavia pitkin. Tämä tuottaa väistämättä paljon lämpöä. Tutkijoiden suunnittelema menetelmä käyttäisi tiedon kuljettamiseen spinaaltoja, jotka ovat magneettisissa materiaaleissa ilmenevä aaltomainen ilmiö.

"Koska tähän ei kuuluisi lainkaan sähkön kuljettamista, pääsisimme eroon siihen liittyvästä hukkalämmöstä ja energiatehokkuus lisääntyisi merkittävästi”, van Dijken sanoo.

Spinaalloilla on tällä hetkellä hyvin vähän kaupallisia sovelluksia, eikä niitä vielä käytetä tietokoneissa. Niiden potentiaali tietojenkäsittelylle tunnustetaan kuitenkin laajalti ja sitä tutkitaan kiivaasti. Aallon projektista ainutlaatuisen tekee se, että tutkijat aikovat saada laitteen toimimaan ohjaamalla spinaaltoja voimakkaiden valokenttien avulla nanomittakaavassa.

"Kukaan ei ole aiemmin ohjannut spinaaltoja valolla tällä tavalla", sanoo professori Päivi Törmä Aalto-yliopistosta. 

Törmä ja van Dijken ovat optimistisia sen suhteen, että menetelmä voidaan saada toimimaan heidän suunnittelemallaan tavalla. Van Dijken ja hänen tutkimusryhmänsä ovat asiantuntijoita spinaaltojen manipuloinnissa. Törmä puolestaan johtaa ryhmää, jolla on vuosien kokemus työskentelystä valokenttien parissa nanomittakaavassa. Ryhmien yhteistyö johti äskettäin uuteen tapaan käyttää magnetismia valon ohjaamiseen.

"Se, mitä nyt haluamme tehdä, on pohjimmiltaan päinvastaista: haluamme käyttää valoa ohjaamaan magnetisaation dynamiikkaa", van Dijken selittää.

Törmä huomauttaa lisäksi, että nanomittakaavan valokentät ovat jo nyt menestyksekkäästi käytössä muun muassa biosensoreissa ja syövän hoidossa.

"Voimakkailla nanomittakaavan valokentillä on jo muita kaupallisia sovelluksia. Tämän pohjalta on mahdollista ennakoida, että ne voisivat olla suureksi hyödyksi myös tässä uudessa käyttötarkoituksessa.”

Massatuotantoon sopivaa teknologiaa alusta alkaen

Tutkijoiden päätavoite on kolmivuotisessa projektissa rakentaa toimiva logiikkaportti ja osoittaa sen alhainen energiankulutus. Logiikkaportit ovat tiedonkäsittelyn, ja siten myös tietokoneiden, peruselementtejä.

Tutkijat käyttävät työssään alusta asti massatuotantoon soveltuvaa teknologiaa ja etsivät alan yhteistyökumppaneita.

"On äärimmäisen tärkeää, että suomalainen teollisuus näkee varhain, millaisia teknologioita tulevaisuudessa voi olla odotettavissa", Törmä sanoo.

“Pitkään on ajateltu, että digitalisaatio edistyy lähinnä ohjelmistokehityksen kautta. Nyt myös laskennan fysikaalisen toteutuksen rajat ovat nousemassa yhä keskeisempään asemaan. Uusia oivalluksia tarvitaan.”

Tulevaisuuden tekijät -rahoitus on suuruudeltaan miljoona euroa ja se tulee Teknologiateollisuuden 100 -vuotissäätiöltä sekä Jane ja Aatos Erkon säätiöltä. Hankkeessa hyödynnetään OtaNanon kansallista tutkimusinfrastruktuuria. Tutkimusryhmät kuuluvat kansalliseen kvantti-instituuttiin InstituteQ.