Un nouveau matériau ouvre la porte à une informatique économe en énergie | Nouvelles de Stanford

Au cours de la dernière décennie, avec l’introduction de technologies d’intelligence artificielle (IA) de plus en plus complexes, la demande de puissance de calcul a augmenté de façon exponentielle. De nouvelles conceptions matérielles écoénergétiques pourraient aider à répondre à cette demande tout en réduisant la consommation d’énergie des ordinateurs, en prenant en charge un traitement plus rapide et en permettant à la formation à l’IA d’avoir lieu au sein de l’appareil lui-même.

La mémoire à accès aléatoire magnétorésistive à couple spin-orbite (SOT-MRAM) a le potentiel de stocker des données plus rapidement et plus efficacement que les méthodes actuelles, qui stockent des données en utilisant une charge électrique et nécessitent une alimentation électrique continue pour conserver ces données. (Crédit image : Shutterstock/raigvi)

À mon avis, nous sommes déjà passés de l’ère d’Internet à l’ère de l’IA, déclare Shan Wang, professeur Leland T. Edwards à la School of Engineering de l’Université de Stanford. Nous voulons activer la formation AI on edge localement sur votre ordinateur personnel, votre téléphone ou votre smartwatch pour des choses comme la détection de crise cardiaque ou la reconnaissance vocale. Pour ce faire, vous avez besoin d’une mémoire très rapide et non volatile.

Wang et ses collègues ont récemment découvert un matériau qui pourrait rapprocher un nouveau type de mémoire de la commercialisation. Dans un nouvel article publié dans Matériaux naturels, les chercheurs ont démontré qu’une fine couche d’un composé métallique appelé manganèse palladium trois avait les propriétés nécessaires pour faciliter une forme de mémoire de travail qui stocke les données dans les directions de spin des électrons. Cette méthode de stockage de mémoire, connue sous le nom de mémoire vive magnétorésistive à couple spin-orbite ou SOT-MRAM, a le potentiel de stocker des données plus rapidement et plus efficacement que les méthodes actuelles, qui stockent les données en utilisant une charge électrique et nécessitent une entrée d’alimentation continue pour maintenir ces données. .

Nous avons fourni un bloc de construction de base pour les futurs éléments de stockage économes en énergie, a déclaré Wang. C’est très fondamental, mais c’est une percée.

Exploiter le spin des électrons

La SOT-MRAM repose sur une propriété intrinsèque des électrons appelée spin. Pour comprendre le spin, imaginez un électron comme un ballon de basket tournant en équilibre sur le bout du doigt d’un athlète professionnel. Parce que les électrons sont des particules chargées, la rotation transforme l’électron en un petit aimant, polarisé le long de son axe (dans ce cas, une ligne qui s’étend du doigt équilibrant la balle). Si l’électron change de direction de spin, les pôles nord-sud de l’aimant changent. Les chercheurs peuvent utiliser la direction vers le haut ou vers le bas de ce magnétisme connu sous le nom de moment dipolaire magnétique pour représenter les uns et les zéros qui composent les bits et les octets de données informatiques.

Polarisation z-spin non conventionnelle dans le matériau MnPd3. (Crédit image : le groupe Wang)

Dans SOT-MRAM, un courant circulant à travers un matériau (la couche SOT) génère des directions de spin spécifiques. Le mouvement de ces électrons, couplé à leurs directions de spin, crée un couple qui peut changer les directions de spin et les moments dipolaires magnétiques associés des électrons dans un matériau magnétique adjacent. Avec les bons matériaux, stocker des données magnétiques est aussi simple que de changer la direction d’un courant électrique dans la couche SOT.

Mais trouver les bons matériaux SOT n’est pas facile. En raison de la conception du matériel, les données peuvent être stockées de manière plus dense lorsque les directions de spin des électrons sont orientées vers le haut ou vers le bas dans la direction z. (Si vous imaginez un sandwich sur une assiette, les directions x et y suivent les bords du pain et la direction z est le cure-dent enfoncé au milieu.) Malheureusement, la plupart des matériaux polarisent les spins des électrons dans la direction y si le courant circule dans la direction x.

Les matériaux conventionnels ne génèrent que du spin dans la direction y, ce qui signifie que nous aurions besoin d’un champ magnétique externe pour que la commutation se produise dans la direction z, ce qui prend plus d’énergie et d’espace, explique Fen Xue, chercheur postdoctoral au laboratoire Wangs. Dans le but de baisser l’énergie et d’avoir une densité de mémoire plus élevée, on veut pouvoir réaliser cette commutation sans champ magnétique extérieur.

Les chercheurs ont découvert que le manganèse palladium trois possède les propriétés dont ils ont besoin. Le matériau est capable de générer des spins dans n’importe quelle orientation car sa structure interne n’a pas le type de symétrie cristalline qui forcerait tous les électrons dans une orientation particulière. En utilisant du manganèse palladium trois, les chercheurs ont pu démontrer la commutation de l’aimantation dans les directions y et z sans avoir besoin d’un champ magnétique externe. Bien que non démontrée dans le manuscrit, l’aimantation dans la direction x peut également être commutée en l’absence de champ magnétique externe.

Nous avons le même courant d’entrée que d’autres matériaux conventionnels, mais nous avons maintenant trois directions de rotation différentes, explique Mahendra DC, qui a mené les travaux en tant que chercheur postdoctoral à Stanford et est le premier auteur de l’article. Selon l’application, nous pouvons contrôler l’aimantation dans la direction que nous voulons.

DC et Wang attribuent le mérite de la collaboration multidisciplinaire et multi-institutionnelle qui a permis ces avancées. Le laboratoire Evgeny Tsymbals de l’Université du Nebraska a dirigé les calculs pour prédire les directions et les mouvements de rotation inattendus et le laboratoire Julie Borcherss de l’Institut national des normes et de la technologie a dirigé les mesures et les efforts de modélisation pour révéler les microstructures complexes du manganèse palladium trois, dit Wang. Il faut vraiment un village.

Possibilités de fabrication

En plus de sa structure de rupture de symétrie, le manganèse palladium trois possède plusieurs autres propriétés qui en font un excellent candidat pour les applications SOT-MRAM. Il peut, par exemple, survivre et conserver ses propriétés tout au long du processus de post-recuit que l’électronique doit subir.

Le post-recuit nécessite que l’électronique soit à 400 degrés Celsius pendant 30 minutes, explique DC. C’est l’un des défis pour les nouveaux matériaux dans ces appareils, et le manganèse palladium trois peut y faire face.

De plus, la couche de manganèse palladium trois est créée à l’aide d’un processus appelé pulvérisation magnétron, qui est une technique déjà utilisée dans d’autres aspects du matériel de stockage de mémoire.

Il n’y a pas de nouveaux outils ou de nouvelles techniques nécessaires pour ce type de matériel, dit Xue. Nous n’avons pas besoin d’un substrat texturé ou de conditions particulières pour le déposer.

Le résultat est un matériau qui non seulement possède de nouvelles propriétés qui pourraient aider à répondre à nos besoins informatiques croissants, mais qui peut également s’intégrer sans problème aux techniques de fabrication actuelles. Les chercheurs travaillent déjà sur des prototypes de SOT-MRAM utilisant du manganèse palladium trois qui s’intégreront dans de vrais dispositifs.

Nous nous heurtons à un mur avec la technologie actuelle, dit DC. Nous devons donc déterminer quelles autres options nous avons.