Des chercheurs ont mis au point une méthode qui pourrait permettre une miniaturisation extrême des composants informatiques, ouvrant la voie à des dispositifs compacts et performants.
La réduction de la taille des transistors et des portes logiques dans un processeur permet d’augmenter la puissance de calcul dans un espace réduit. Cependant, les limites physiques du silicium nous rapprochent des contraintes minimales de taille pour ces composants.
Une nouvelle approche, qui consiste à alterner rapidement entre les états de spin dans des aimants bidimensionnels pour représenter les états binaires de 1 et 0, pourrait aboutir à des composants plus denses et plus efficaces en énergie.
Cette technique repose sur un nouveau type de jonction tunnel magnétique (MTJ), une structure matérielle servant de dispositif de stockage de données dans un système informatique. Les scientifiques ont intercalé du triiodure de chrome (un aimant isolant 2D) entre des couches de graphène et ont fait passer un courant électrique pour orienter le magnétisme au sein des couches individuelles de triiodure de chrome.
Exploiter ces MTJ pourrait permettre d’intégrer davantage de puissance de calcul dans une puce que ce qui était auparavant considéré comme réalisable, tout en consommant beaucoup moins d’énergie lors du processus de commutation. Les résultats de cette recherche ont été publiés le 1er mai dans la revue Nature Communications.
Dans cette étude, les scientifiques ont démontré que les aimants 2D peuvent être polarisés pour représenter des états binaires, les 1 et 0 des données informatiques, ouvrant ainsi la voie à une informatique hautement efficace sur le plan énergétique.
Exploitation des spintronics pour une informatique plus rapide
Le contrôle précis de la phase magnétique des matériaux 2D est une étape essentielle dans le domaine des spintronics, qui consiste à manipuler le spin d’un électron et son moment magnétique associé. En ajustant avec précision le courant, la nouvelle méthode peut modifier les états de spin dans le triiodure de chrome en fonction de la polarité et de l’amplitude du courant. Cela est possible car ce composé est ferromagnétique, ce qui signifie qu’il peut attirer d’autres aimants, à l’instar du fer. De plus, ce matériau est un semi-conducteur, possédant une conductivité intermédiaire entre celle d’un métal et d’un isolant.
Un élément clé pour les spintronics est le MTJ, constitué de deux couches ferromagnétiques séparées par une barrière isolante. Le contrôle de l’état de spin d’un MTJ est déjà utilisé dans divers composants informatiques, comme les têtes de lecture des disques durs. Cependant, maîtriser l’épaisseur de ses couches et la qualité de leurs interfaces a été un défi.
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Les matériaux doivent supporter des densités de courant élevées d’au moins 10 millions d’ampères sur une surface de la taille d’un ongle, tout en répondant aux exigences de miniaturisation et d’efficacité énergétique. Pour donner un ordre de grandeur, un éclair typique peut atteindre entre 1 000 et 300 000 ampères.
« Cet article traite du fait que vous pouvez avoir deux états possibles du courant de tunnel : parallèle et antiparallèle, » a déclaré Adelina Ilie, chercheuse en physique à l’Université de Bath au Royaume-Uni, spécialisée dans les aimants 2D. « S’il existe deux états définis, ils peuvent être utilisés comme portes logiques dans un ordinateur. »
Efficacité énergétique supérieure pour les systèmes IA futurs
Les scientifiques ont créé des aimants 2D de van der Waals (triiodure de chrome), puis ont superposé des flocons atomiquement fins de graphène, d’azoture hexagonal et de triiodure de chrome pour former des dispositifs de jonction tunnel, qu’ils ont refroidis à proche du zéro absolu. Ils ont simultanément fait passer un courant électrique à travers le matériau et l’ont mesuré par intervalles de 16 millisecondes à l’aide d’un appareil de mesure.
Ils ont observé que la tension subissait des commutations aléatoires entre les niveaux, correspondant aux états spin-parallèle et spin-antiparallèle au sein du triiodure de chrome, la direction de commutation étant déterminée par la polarité et l’amplitude du courant. La durée de chaque état magnétique était généralement de 10 millisecondes, tandis que le temps de commutation entre les deux états était de l’ordre de la microseconde (une microseconde équivaut à un millionième de seconde).
« Ces états ne sont pas exactement stables, » a expliqué Ilie. « Ce qui se passe réellement, c’est que le courant passe d’un état à un autre, de manière stochastique, mais la moyenne du temps passé dans un état ou un autre dépend de la tension. Cela nous donne deux états que nous pouvons sélectionner de manière déterministe. »
Les deux états, pouvant être utilisés comme portes logiques, permettent un fonctionnement à une échelle beaucoup plus petite que ce qui était auparavant possible. Grâce à cette technologie, les fabricants pourraient concevoir des puces informatiques avec une puissance de traitement accrue. Cependant, la nécessité de températures de fonctionnement proches du zéro absolu rend la mise en œuvre pratique de ces dispositifs futuristes difficile.
« Ce qui rend ce type de travail différent, c’est que l’énergie nécessaire pour passer d’un état à un autre est d’un ordre de grandeur inférieur à celle des jonctions tunnel magnétiques conventionnelles, » a conclu Ilie. « Avec de nouvelles technologies comme l’IA générative, qui augmentent considérablement la consommation d’énergie, il ne sera pas possible de suivre, donc il faut des dispositifs qui soient efficaces sur le plan énergétique. »
