Des chercheurs d'Intel Corp. et de l'Université de Californie, Berkeley, regardent au-delà de la technologie actuelle des transistors et préparent la voie à un nouveau type de mémoire et de circuit logique qui pourrait un jour se trouver dans tous les ordinateurs de la planète.

Dans un article paru en ligne le 3 décembre avant sa publication dans la revue La nature , les chercheurs proposent un moyen de transformer des types de matériaux relativement nouveaux, matériaux multiferroïques et topologiques, en dispositifs logiques et mémoires qui seront 10 à 100 fois plus économes en énergie que les améliorations prévisibles des microprocesseurs actuels, qui sont basés sur CMOS (complémentaire métal-oxyde-semiconducteur).

Les dispositifs magnéto-électriques spin-orbit ou MESO emballeront également cinq fois plus d'opérations logiques dans le même espace que CMOS, poursuivre la tendance vers plus de calculs par unité de surface, un principe central de la loi de Moore.

Les nouveaux appareils stimuleront les technologies qui nécessitent une puissance de calcul intense avec une faible consommation d'énergie, spécifiquement hautement automatisé, voitures et drones autonomes, qui nécessitent tous deux un nombre toujours croissant d'opérations informatiques par seconde.

"Au fur et à mesure que CMOS atteint sa maturité, nous aurons essentiellement des options technologiques très puissantes qui nous permettront d'aller jusqu'au bout. À certains égards, cela pourrait continuer à améliorer l'informatique pour toute une autre génération de personnes, " a déclaré l'auteur principal Sasikanth Manipatruni, qui dirige le développement matériel pour le projet MESO au sein du groupe de recherche sur les composants d'Intel à Hillsboro, Oregon. MESO a été inventé par les scientifiques d'Intel, et Manipatruni ont conçu le premier appareil MESO.

Technologie des transistors, inventé il y a 70 ans, est utilisé aujourd'hui dans tout, des téléphones portables et des appareils électroménagers aux voitures et aux superordinateurs. Les transistors mélangent les électrons à l'intérieur d'un semi-conducteur et les stockent sous forme de bits binaires 0 et 1.

Dans les nouveaux appareils MESO, les bits binaires sont les états de spin magnétique ascendant et descendant dans un multiferroïque, un matériau créé en 2001 par Ramamoorthy Ramesh, un professeur de science et d'ingénierie des matériaux et de physique à l'UC Berkeley et un auteur principal de l'article.

"La découverte était qu'il existe des matériaux où vous pouvez appliquer une tension et changer l'ordre magnétique du multiferroïque, " dit Ramesh, qui est également chercheur universitaire au Lawrence Berkeley National Laboratory. "Mais pour moi, « Que ferions-nous de ces multiferroïques ? » était toujours une grande question. MESO comble ce fossé et fournit une voie pour l'évolution de l'informatique"

Dans le La nature papier, les chercheurs rapportent qu'ils ont réduit la tension nécessaire pour la commutation magnéto-électrique multiferroïque de 3 volts à 500 millivolts, et prédisent qu'il devrait être possible de réduire cela à 100 millivolts :un cinquième à un dixième de celui requis par les transistors CMOS utilisés aujourd'hui. Une tension plus basse signifie une consommation d'énergie plus faible :l'énergie totale pour passer d'un bit de 1 à 0 serait d'un dixième à un trentième de l'énergie requise par le CMOS.

"Un certain nombre de techniques critiques doivent être développées pour permettre à ces nouveaux types d'appareils et d'architectures informatiques, " dit Manipatruni, qui ont combiné les fonctions de la magnéto-électricité et des matériaux spin-orbite pour proposer MESO. "Nous essayons de déclencher une vague d'innovation dans l'industrie et le milieu universitaire sur ce à quoi devrait ressembler la prochaine option de type transistor."

Internet des objets et IA

Le besoin d'ordinateurs plus économes en énergie est urgent. Le ministère de l'Énergie prévoit que, l'industrie des puces informatiques devrait atteindre plusieurs milliers de milliards de dollars au cours des prochaines décennies, l'utilisation d'énergie par les ordinateurs pourrait monter en flèche de 3 pour cent de toute la consommation d'énergie des États-Unis aujourd'hui à 20 pour cent, presque autant que le secteur des transports d'aujourd'hui. Sans transistors plus économes en énergie, l'incorporation d'ordinateurs dans tout – le soi-disant Internet des objets – serait entravée. Et sans nouvelles sciences et technologies, Ramesh a dit, L'avance de l'Amérique dans la fabrication de puces informatiques pourrait être éclipsée par les fabricants de semi-conducteurs d'autres pays.

"En raison de l'apprentissage automatique, intelligence artificielle et IOT, la future maison, la future voiture, la future capacité de fabrication va être très différente, " dit Ramesh, qui jusqu'à récemment était directeur associé pour les technologies énergétiques au Berkeley Lab. "Si nous utilisons les technologies existantes et ne faisons plus de découvertes, la consommation d'énergie va être importante. Nous avons besoin de nouvelles percées scientifiques. »

Co-auteur de l'article Ian Young, un doctorat de l'UC Berkeley, a créé un groupe chez Intel il y a huit ans, avec Manipatruni et Dmitri Nikonov, rechercher des alternatives aux transistors, et il y a cinq ans, ils ont commencé à se concentrer sur les matériaux multiferroïques et spin-orbite, des matériaux dits « topologiques » aux propriétés quantiques uniques.

"Notre analyse nous a amené à ce type de matériel, magnéto-électrique, et tous les chemins menaient à Ramesh, " dit Manipatruni.

Matériaux multiferroïques et spin-orbite

Les multiferroïques sont des matériaux dont les atomes présentent plus d'un "état collectif". Dans les ferromagnétiques, par exemple, les moments magnétiques de tous les atomes de fer dans le matériau sont alignés pour générer un aimant permanent. Dans les matériaux ferroélectriques, d'autre part, les charges positives et négatives des atomes sont décalées, créant des dipôles électriques qui s'alignent dans tout le matériau et créent un moment électrique permanent.

MESO est basé sur un matériau multiferroïque constitué de bismuth, fer et oxygène (BiFeO3) qui est à la fois magnétique et ferroélectrique. Son atout majeur, Ramesh a dit, est que ces deux états - magnétique et ferroélectrique - sont liés ou couplés, de sorte que changer l'un affecte l'autre. En manipulant le champ électrique, vous pouvez changer l'état magnétique, ce qui est essentiel pour MESO.

La percée clé est venue du développement rapide de matériaux topologiques avec effet spin-orbite, qui permettent de lire efficacement l'état du multiferroïque. Dans les appareils MESO, un champ électrique modifie ou inverse le champ électrique dipolaire dans tout le matériau, qui modifie ou retourne les spins des électrons qui génèrent le champ magnétique. Cette capacité vient du couplage spin-orbite, un effet quantique dans les matériaux, qui produit un courant déterminé par la direction du spin des électrons.

Dans un autre article paru plus tôt ce mois-ci dans Science Advances, UC Berkeley et Intel ont démontré expérimentalement la commutation magnétique à tension contrôlée en utilisant le matériau magnéto-électrique bismuth-fer-oxyde (BiFeO3), une exigence clé pour MESO.

"Nous recherchons des approches révolutionnaires et non évolutives pour l'informatique dans l'ère au-delà du CMOS, " Young a déclaré. "MESO est construit autour d'interconnexions basse tension et de magnéto-électriques basse tension, et apporte l'innovation dans les matériaux quantiques à l'informatique."