La CBRAM (conductive bridging random access memory) pourrait jouer un rôle fondamental dans la mémoire à l'avenir en stockant les données dans un format non volatile (c'est-à-dire, quasi-permanent). Pour réduire la taille et la consommation d'énergie de ces composants, il est essentiel de comprendre précisément leur comportement au niveau atomique.

Mathieu Luisier, professeur associé à l'ETH Zurich, et son équipe ont étudié ce type de mémoire, qui se compose de deux électrodes métalliques séparées par un isolant. Les chercheurs ont développé un modèle informatique d'une CBRAM composée de quelque 4 500 atomes et obéissant aux lois de la mécanique quantique régissant le monde microscopique. Cette simulation à l'échelle atomique permet de décrire précisément l'intensité du courant généré par un nanofilament métallique lors de sa formation et de sa dissolution entre les électrodes.

Dix atomes d'épaisseur

"C'est un grand pas en avant, " dit Mathieu Luisier, qui a été professeur FNS à l'ETH Zurich de 2011 à 2016. "Jusqu'à présent, les modèles existants ne pouvaient gérer qu'une centaine d'atomes." Le nouveau modèle reproduit fidèlement le courant électrique ainsi que l'énergie dissipée par la cellule, permettant à son tour le calcul de sa température. Les chercheurs ont pu observer l'effet des modifications de l'épaisseur de l'isolant et du diamètre du filament métallique. Les résultats, qui ont été présentés lors de la conférence IEDM à San Francisco en décembre 2017, montrent que la consommation d'énergie locale et la chaleur sont réduites si les deux électrodes sont rapprochées. Mais jusqu'à un certain point seulement :les électrodes trop proches subissent l'effet tunnel quantique, et le courant entre eux n'est plus contrôlable.

La recherche montre que dans une géométrie CBRAM optimale, l'isolant a une épaisseur de 1,5 à 2 nanomètres (environ 10 atomes). La fabrication est toujours un défi, cependant :les machines capables d'atteindre de telles dimensions utilisent une technique de lithographie par sonde thermique actuellement mal adaptée à la production en série. "Aujourd'hui, un canal de transistor type CMOS mesure environ 20 nanomètres, soit dix fois plus épais que les isolants CBRAM que nous avons étudiés, " dit Luisier. Par conséquent, La loi de Moore – qui prédit que la taille des composants électroniques diminuera de moitié tous les 18 à 24 mois – pourrait se heurter à un mur d'ici une décennie.

Pour réaliser leur modèle à 4 500 atomes, les chercheurs ont bénéficié d'un accès au troisième ordinateur le plus puissant au monde - Piz Daint - qui est situé au Centre national suisse de calcul intensif (CSCS) à Lugano et peut effectuer jusqu'à 20 millions de milliards d'opérations par seconde. Ce type d'étude nécessite 230 cartes graphiques à la pointe de la technologie; Piz Daint en a plus de 4000. Chaque carte a son propre CPU. "Même avec cette puissance de calcul, il faut une dizaine d'heures pour simuler une mémoire et en déterminer les caractéristiques électriques, " dit Luisier.