Les ordinateurs stockent et traitent normalement les données dans des modules séparés. Mais maintenant, des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Institut Paul Scherrer ont développé une méthode qui permet d'effectuer des opérations logiques directement dans un élément de mémoire.

Quiconque a déjà accidentellement débranché un ordinateur de bureau se souviendra du moment douloureux où il s'est rendu compte que toute information non enregistrée était perdue à jamais. C'est parce que les ordinateurs font une distinction claire entre les tâches de calcul et de stockage de données. Quelles que soient les données que l'ordinateur utilise actuellement sont stockées dans la mémoire principale, qui, comme le processeur de l'ordinateur, repose sur des transistors contrôlés en courant. Cela signifie que la mémoire principale est "volatile" :dès que l'alimentation disparaît, les données aussi. Logiciel, images, les vidéos et toutes autres données nécessitant un stockage à long terme sont stockées dans une mémoire non volatile telle qu'une mémoire flash ou un lecteur de disque magnétique, d'où ils peuvent être chargés dans la mémoire principale au fur et à mesure des besoins.

Sous la direction de Pietro Gambardella et Laura Heyderman, une équipe de scientifiques de l'ETH Zurich et de l'Institut Paul Scherrer (PSI) espère maintenant révolutionner ce principe vieux de plusieurs décennies. Leur objectif est de construire un rapide, système de mémoire non volatile qui peut également effectuer des opérations logiques sur les données telles que NOT, OU et ET. Ils ont récemment franchi une étape importante dans ce voyage, qui a été décrit dans un article de la revue scientifique La nature .

Mémoire de piste rapide

Les chercheurs travaillent depuis plusieurs années sur le développement de la mémoire magnétique des pistes de course. Ce nouveau type de mémoire est beaucoup plus rapide que les disques durs traditionnels dans lesquels une tête de lecture/écriture doit être déplacée vers une région spécifique de la surface du disque par des moyens mécaniques. En revanche, les éléments de mémoire de piste fonctionnent en utilisant des impulsions de courant pour déplacer de minuscules régions magnétiques, ou domaines, des nanofils de haut en bas de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur. Dans ces domaines, tous les moments magnétiques - comme de minuscules aiguilles de boussole associées aux atomes du matériau - sont orientés dans la même direction et peuvent ainsi être utilisés pour représenter les états binaires 0 et 1. En éliminant le besoin du mouvement mécanique d'une tête de lecture/écriture, La mémoire de course offre des temps d'accès beaucoup plus rapides que les disques durs traditionnels. Néanmoins, même les données stockées de cette manière devraient normalement être chargées dans la mémoire principale pour être traitées.

"Ce que nous avons réussi à faire maintenant, c'est d'effectuer des opérations logiques directement dans ce type d'élément de mémoire, " dit Zhaochu Luo, le chercheur postdoctoral qui a fait avancer le projet. Les ordinateurs utilisent des opérations logiques pour traiter les données. Par exemple, l'opérateur logique PAS inverse un peu, changer sa valeur de 0 à 1 ou vice versa. Normalement, cette opération est effectuée dans la mémoire principale, les données étant lues et réécrites sur le disque dur magnétique mais pas directement traitées là-bas.

Une interaction curieuse

"Notre méthode fonctionne différemment, " dit Pietro Gambardella. " Nous utilisons un courant électrique pour inverser la polarité des régions magnétiques, effectuant ainsi une opération NON sur les données stockées. Pour ce faire, nous exploitons une interaction d'échange assez particulière qui se produit lorsque nous déposons un film de cobalt magnétique sur une couche de platine. les moments magnétiques ne sont ni parallèles ni antiparallèles entre eux, comme ce serait normalement le cas. Au lieu, en raison de la présence de la couche de platine, l'interaction amène les moments magnétiques dans les domaines adjacents à s'aligner perpendiculairement les uns aux autres. "C'est presque comme si l'aiguille d'une boussole pointait soudainement vers l'est au lieu du nord, " dit Gambardella.

Cet alignement perpendiculaire des moments magnétiques conduit également à un sens privilégié de rotation de l'aimantation entre un domaine et le suivant, similaire à la façon dont un tire-bouchon tourne dans une direction spécifique. Donc, si une impulsion de courant traverse maintenant la couche de platine, les électrons qui circulent changent progressivement la polarité des "aiguilles de boussole" atomiques dans la couche de cobalt magnétique. Cela déplace les informations codées dans l'aimantation et crée un domaine magnétique itinérant. Puis, à des emplacements prédéfinis où l'interaction perpendiculaire est forte, le sens de l'aimantation dans le domaine de déplacement est inversé. Cela correspond précisément à une opération NON logique.

Il est possible de combiner de telles opérations dans différents éléments de mémoire d'hippodrome, fournissant ainsi d'autres opérations logiques telles que ET, OU et NAND. Ceux-ci peuvent être assemblés en circuits plus complexes, par exemple pour additionner deux nombres (voir image). Mais, contrairement aux circuits classiques à base de semi-conducteurs dans lesquels chaque transistor nécessite sa propre alimentation, les nouveaux circuits de mémoire de piste de course n'ont besoin d'être alimentés en courant qu'à l'entrée et à la sortie.

Utilisations dans l'Internet des objets

"Initialement, Je vois notre technologie principalement utilisée dans des microprocesseurs à faible puissance de calcul, " explique Gambardella. Un exemple particulièrement pertinent dans le monde d'aujourd'hui est l'Internet des objets, dans lequel une variété d'appareils et de capteurs communiquent directement entre eux. Les ordinateurs de ces types d'appareils doivent offrir des capacités « instantanées », c'est-à-dire un fonctionnement immédiat sans le délai de téléchargement d'un système d'exploitation, et une faible consommation d'énergie. Une technologie combinant mémoire magnétique et opérations logiques serait idéale pour cette application.

En principe, dit Gambardella, il n'y a rien qui s'oppose à l'exploitation de plus gros ordinateurs de la même manière. Mais en pratique, il avoue, il est peu probable que cela se produise de si tôt :« Optimiser les matériaux et les procédés de fabrication à cet effet est une activité très coûteuse pour les fabricants de puces, il est donc trop tôt pour dire si notre technologie peut remplacer la technologie conventionnelle des semi-conducteurs. il argumente, cette nouvelle approche est certainement suffisamment intéressante pour justifier une enquête plus approfondie afin de découvrir jusqu'où elle peut être poussée. Les chercheurs ont déjà déposé un brevet, alors peut-être finirons-nous par nous retrouver avec un ordinateur qui nous permettra de débrancher la prise sans craindre de perdre des données.