Muziek luisteren via Spotify, een avondje Netflix of YouTube-filmpjes kijken: bijna niemand realiseert zich dat je hiermee CO2 uitstoot. Online diensten zijn opgeslagen op servers in datacentra en die slurpen energie. Natuurkundige Remko Fermin onderzocht technieken die geheugens in datacentra energiezuiniger kunnen maken.
Op dit moment verbruiken datacentra al 1 procent van het totale energieverbruik wereldwijd, daarmee zijn datacentra nu verantwoordelijk voor ongeveer 0,3 procent van de totale koolstofdioxide uitstoot. De informatie- en communicatietechnologie (ICT) als geheel (hier vallen ook persoonlijke digitale apparaten, televisies en mobiele netwerken onder) is goed voor meer dan 2 procent van de wereldwijde uitstoot. Daarmee komt de koolstofvoetafdruk van ICT op hetzelfde niveau als de brandstofemissies van de luchtvaartindustrie. Voorspellingen zijn dat datacentra in 2030, in het slechtste scenario, wel 10 procent van het wereldwijde energieverbruik voor hun rekening nemen.
Fermin schrok toen hij achter deze cijfers kwam en wil helpen energie te besparen. Hij onderzocht de natuurkunde om technieken te ontwikkelen die kunnen helpen om computers in datacentra energiezuiniger te maken. ‘Stel dat we die 10 procent kunnen voorkomen, dat is een ongelooflijk belangrijk doel.’
Supergeleiders
Een van de oplossingen waar hij naar keek, is een geheugen dat geschikt is voor een computer die werkt op basis van supergeleiding. Supergeleiders zijn materialen die geen elektrische weerstand hebben. Daarom verbruik je geen energie als je er stroom doorheen stuurt. Het nadeel is dat supergeleiders alleen werken als het heel koud is, namelijk vlak boven het absolute nulpunt van -273 graden Celsius. Fermin: ‘Iedereens persoonlijke computer zo ver afkoelen, is geen optie. Maar datacentra zijn daar wel geschikt voor. Ondanks dat je die grote computers moet afkoelen, zijn ze energiezuiniger als ze daardoor supergeleidend zijn.’
Er is al onderzocht hoe je berekeningen kunt maken met supergeleiders. Maar er is veel minder onderzoek gedaan naar hoe een computer data kan opslaan met behulp van supergeleiding. Fermin en zijn collega’s is het gelukt een supergeleidend geheugenelement te maken. ‘Als proof of concept hebben we een geheugenelement van een enkele bit gemaakt. Hiermee laten we zien dat het mogelijk is een supergeleidend geheugenelement te maken door een supergeleider en een magneet te combineren.’
Criteria
Een succesvol supergeleidend geheugenelement moet aan vier criteria voldoen. Ten eerste moet het kunnen wisselen tussen twee toestanden, net als een bit in een computer de waarde 0 of 1 kan hebben. Een heleboel bits bij elkaar vormen een code, die vertaald kan worden naar bijvoorbeeld een tekst, foto of video. Het tweede criteria is dat het heel weinig energie mag kosten om de toestand uit te lezen en tussen de twee toestanden te wisselen. Verder moet het geheugenelement zijn geheugen behouden als de computer opwarmt en niet meer supergeleidend is. En ten slotte moet het schaalbaar zijn. We hebben immers vele bits nodig om al die filmpjes en muziek op te slaan.
De bovenste laag van de ellips is supergeleidend, de onderste laag is magnetisch. In de supergeleidende laag is een snede gemaakt waardoor de stroom wordt gedwongen om even de magneet in te gaan, daarmee kan de superstroom de toestand van de magneet als het ware voelen.
Al voor Fermins onderzoek waren er supergeleidende geheugenelementen ontwikkeld, maar nog geen één voldoet aan alle vier de criteria. Fermin kan er zeker drie afvinken. Door slim te spelen met de vorm van het geheugenelement, lukte het de natuurkundige om twee toestanden te creëren in de magneet. Om te zorgen dat het weinig energie kost om het element uit te lezen, stapelde hij een supergeleider op een magneet (zie afbeelding). Door in het supergeleidende deel van de ellips een gleuf te snijden, wordt de stroom lokaal door de magneet geleid. Daardoor kan de toestand van de magneet bepaald worden met een supergeleidende stroom. Oftewel: een stroom die geen energie verbruikt, leest het geheugenelement uit.
Schaalbaar
Het enige criterium dat nu nog over is, is de schaalbaarheid. Fermin: ‘De ellips die we hebben gemaakt is 1500 nanometer lang. Dat is minder dan één tiende van de dikte van een menselijke haar. Toch is dat relatief groot als je het bijvoorbeeld vergelijkt met de transistor (elektronische schakelaar die elektriciteit kan doorlaten of tegenhouden, red.) in een telefoon. Die is nog ongeveer duizend keer kleiner. We kunnen ons element wel kleiner maken, maar er is meer onderzoek nodig om te zien of het ook werkt in de praktijk, zodat we in de toekomst zonder schuldgevoel YouTube-filmpjes kunnen kijken.’
