Anjan Soumyanarayanan et son équipe de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux (IMRE) d'A*STAR ouvrent la voie à l'informatique de nouvelle génération basée sur les skyrmions magnétiques. Crédit :Anjan Soumyanarayanan
Avez-vous déjà remarqué à quel point nos smartphones et nos appareils informatiques deviennent plus rapides sur de courtes périodes ? Vous pouvez remercier la loi de Moore pour cela. En 1965, Le cofondateur d'Intel, Gordon Moore, a prédit que la puissance de traitement des ordinateurs doublerait environ tous les deux ans, et incroyablement, cette règle empirique empirique a duré plus de cinq décennies.
Cependant, la technologie informatique moderne atteint maintenant ses limites d'échelle, potentiellement mettre un terme à la loi de Moore. Pendant ce temps, la demande de puissance de calcul continue de croître rapidement, en partie à cause de l'avènement de l'intelligence artificielle.
Contourner ces restrictions de mémoire et de puissance de calcul est le besoin du moment, et il faut regarder au-delà des appareils conventionnels et des architectures informatiques. Voici l'un des candidats :de minuscules quasi-particules magnétiques appelées skyrmions qui pourraient offrir un moyen de dépasser les limites de traitement conventionnelles.
Étant donné que la mémoire de stockage des informations et les fonctions de prise de décision des ordinateurs sont généralement séparées, effectuer même les tâches les plus simples consomme de l'énergie. Skyrmions, l'un des candidats pouvant cumuler les deux fonctions, ouvrent les portes à un traitement plus rapide et à une prise de décision en temps réel avec une puissance réduite.
Découvert il y a plus d'une décennie, Les skyrmions magnétiques se sont avérés difficiles à contrôler. Mais plus maintenant, grâce à une technique révolutionnaire mise au point par Anjan Soumyanarayanan et ses collègues de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux (IMRE) d'A*STAR. Par leur méthode, l'équipe a réussi à affiner la taille, densité et stabilité des skyrmions, les rapprochant de la réalisation d'une informatique économe en énergie.
Pour littéralement donner un nouveau souffle aux skyrmions et exploiter les phénomènes quantiques pour la nanoélectronique, Soumyanarayanan a reçu le prix du jeune scientifique lors de la remise des prix du président en science et technologie 2018. Soumyanarayanan, qui est également professeur adjoint à l'Université nationale de Singapour et récipiendaire 2018 du prix IEEE Magnetics Society Early Career Award, nous donne un aperçu plus approfondi des skyrmions et du rôle qu'ils pourraient jouer dans l'informatique de prochaine génération.
Parlez-nous du problème clé que vous essayez de résoudre avec votre recherche.
La loi de Moore, ou la croissance exponentielle de la puissance de calcul avec le temps, atteint ses limites après un règne de cinq décennies en tant que pierre angulaire de l'électronique moderne. Une alternative prometteuse consiste à utiliser l'électron "spin" au lieu de la charge pour stocker, traiter, et transférer des informations. Faire tourner l'électronique, ou spintronique, peut offrir des appareils avec des vitesses de traitement plus rapides tout en réduisant considérablement la consommation d'énergie.
Depuis quelque temps, mes efforts de recherche se sont concentrés sur les skyrmions magnétiques. Récemment découvert dans des matériaux compatibles avec l'industrie, Les skyrmions sont des arrangements à l'échelle nanométrique de spins électroniques qui se comportent comme des particules magnétiques individuelles. Ils ont des attributs prometteurs en tant qu'éléments de base pour l'informatique de nouvelle génération. Nous développons des matériaux à couche mince hébergeant de tels skyrmions et étudions leur comportement dans des dispositifs nanométriques.
Quelles sont les découvertes fondamentales dans votre domaine sur lesquelles vous avez l'intention de vous appuyer ?
D'abord, Les dispositifs spintroniques nécessitent la capacité de détecter (lire) et de manipuler (écrire) électriquement les spins pour former les états 0 et 1 - pour représenter le système binaire utilisé dans le code informatique conventionnel. Découvert il y a trois décennies, ces capacités ont été récompensées par le prix Nobel 2007 et sont utilisées commercialement dans les disques durs modernes et la mémoire magnétique à accès aléatoire (MRAM).
Plus récemment, le couplage entre le spin des électrons et la quantité de mouvement, connu sous le nom de couplage spin-orbite (SOC), est devenu un ingrédient attrayant dans les films minces compatibles avec l'industrie. D'une part, SOC permet la création de skyrmions magnétiques et d'autres phénomènes nouveaux. D'autre part, il fournit un moyen rapide et économe en énergie pour l'écriture électrique.
Finalement, nous espérons que de tels dispositifs pourront trouver une utilité pour imiter la biologie des neurones, réalisant ainsi l'informatique cérébrale ou "neuromorphique". Ce sujet en plein essor voit de nombreuses propositions de dispositifs pour parvenir à la reconnaissance, capacités d'appariement de modèles et de prise de décision imitant le cerveau humain.
Comment vous êtes-vous intéressé à l'étude des skyrmions magnétiques ?
La formation de skyrmions magnétiques repose sur trois ingrédients clés :le couplage spin-orbite, le magnétisme ainsi que la topologie unique de certaines surfaces et interfaces matérielles. Ces concepts sont au cœur de plusieurs phénomènes émergents découverts au cours des 10 à 15 dernières années. En 2010, ces concepts ont été l'épine dorsale d'une proposition de subvention réussie que j'ai co-écrite avec mon doctorat. conseiller pour soutenir mon travail de thèse sur les matériaux topologiques. De retour à Singapour, Les capacités profondes d'A*STAR dans les films minces magnétiques ont fourni un pivot naturel vers les skyrmions. Je suis heureux que cela s'accompagne de défis dans la science des matériaux et l'ingénierie des dispositifs - ces deux éléments se sont avérés être de précieuses opportunités d'apprentissage.
Pourriez-vous s'il vous plaît décrire l'un des projets les plus excitants sur lesquels vous travaillez actuellement ?
Bien que les skyrmions magnétiques soient très prometteurs en tant qu'éléments de traitement de données à l'échelle nanométrique, ils ne sont pas les plus faciles à travailler. En réalité, jusqu'à récemment, les skyrmions magnétiques n'étaient observés qu'à basse température. Par conséquent, nos efforts initiaux sur ce sujet se sont principalement concentrés sur l'établissement et l'adaptation de leurs propriétés à température ambiante dans les films minces. Récemment, nous avons exploré leur comportement électrique dans des configurations de dispositifs compatibles avec une fabrication à grande échelle. Finalement, nous espérons réaliser la détection électrique, ou lire, et manipulation électrique, ou l'écriture de skyrmions dans de tels appareils. L'intégration transparente de diverses capacités, telles que le développement de matériaux, la fabrication d'appareils et la caractérisation électrique - nécessaires pour qu'ils fonctionnent est difficile et pourtant passionnant.
Quelles sont certaines des implications industrielles/sociales de votre recherche? A qui profiteront les découvertes ?
Notre recherche s'aligne sur des efforts plus larges dans le domaine de la spintronique. Les technologies spintroniques sont utilisées commercialement dans les disques durs et les mémoires magnétiques. Les futures découvertes de la recherche spintronique pourraient permettre de nouvelles architectures de calcul, en plus du fonctionnement de l'appareil à faible puissance à des vitesses extrêmement rapides. De tels dispositifs pourraient nous aider à réaliser des plates-formes informatiques économes en énergie.
Cela pourrait potentiellement se manifester dans les centres de données avec une consommation d'énergie réduite. Alternativement, ils pourraient être utilisés pour développer des appareils informatiques personnels ou de pointe dotés de capacités d'IA. Finalement, une telle recherche peut être appliquée dans divers domaines allant de la fabrication aux soins de santé et à la surveillance, car il peut aider à surveiller ainsi qu'à reconnaître les défauts pour une intervention.
Comment voyez-vous évoluer votre domaine de recherche dans les 5 à 10 prochaines années ?
Des domaines de recherche inspirés des usages, y compris le nôtre, évoluent rapidement dans la façon dont les problèmes sont définis et traités. Par exemple, la définition des problèmes nécessite un engagement accru et soutenu avec les parties prenantes tout au long de la chaîne de valeur. De même, résoudre un complexe, problèmes à grande échelle nécessite la formation d'équipes interdisciplinaires comprenant des scientifiques des matériaux, physiciens, ingénieurs électriciens et informaticiens. Notamment, les techniques d'apprentissage automatique jouent désormais un rôle de plus en plus vital dans la prédiction, conception et analyse des matériaux et des paramètres de l'appareil. Ces facteurs et d'autres nouveaux contribueront à façonner notre domaine de recherche dans un avenir proche.