Article
La spintronique dans tous ses états.
Jean-Paul Baquiast - 14/01/2014
Comme
aux premiers temps de l'informatique, les ordinateurs et toutes
les machines numériques, tablettes, téléphones
portables, etc , travaillent pour l'essentiel selon la logique
de l'algèbre de Boole. Les chiffres binaires zéro
et 1 y sont représentés par des transistors
ou positions de mémoire (bits) qui prennent l'une ou
l'autre valeur selon le courant électrique reçu.
Un intense travail de miniaturisation, accompli depuis le
premier ordinateur scientifique, l'ENIAC Electronic Numerical
Integrator Analyser and Computer (1943), jusqu'à
l'un des premiers ordinateurs commerciaux, l'IBM 1401 (1959),
et poursuivi ensuite, notamment avec l'IBM 360, avait permis
de remplacer dans les unités centrales, c'est-à-dire
dans le coeur des machines, les unités logiques initialement
représentées par des tubes à vide ou
lampes, par des transistors de taille de plus en plus réduite.
Il en fut de même pour les mémoires internes,
celles stockant par exemple les instruction des programmes
installés dans l'ordinateur par l'utilisateur, ou les
résultats temporaires des calculs effectués
par l'unité centrale.
Les mémoires externes, dédiées à
la mémorisation avant usage des données introduites
par l'utilisateur ou la conservation pour diffusion des résultats
définitifs des calculs, restaient essentiellement constituées
de cartes perforées ou de bandes magnétiques.
Mais là aussi l'encombrement avait considérablement
diminué, tandis que la vitesse et la sécurité
d'exploitation augmentaient.
La miniaturisation, la vitesse et la sécurité
ont continué depuis à augmenter pendant un demi-siècle,
sur un rythme quasi exponentiel. Aujourd'hui, le moindre téléphone
portable est un million de fois plus rapide que l'ENIAC, et
presque cent mille fois plus petit. Ses capacités de
mémoire, qui d'externes sont devenues internes, sont
dans les mêmes proportions. Mais on annonce régulièrement
que ce mouvement ne pourra se poursuivre. La miniaturisation
a un coût. Plus les composants sont petits, plus le
courant électrique qu'ils utilisent doit perdre de
l'intensité, afin de ne pas les griller. En contrepartie,
ce courant devenu trop faible subit des fluctuations aléatoires
de charge, pouvant diminuer la fiabilité des transistors
chargés des calculs, ou des mémoires enregistrant
les résultats de ceux-ci. Ceci au point que les transistors
modernes peuvent enregistrer d'importantes variations de performance,
générant des bugs.
De
plus, la concentration des transistors, même de très
petite taiile, dans un espace de plus en plus réduit,
génère de la chaleur qu'il faut combattre. Les
barrières à la miniaturisation semble atteintes.
Autrement dit, la Loi de Moore cesse de s'appliquer, selon
laquelle les capacités des composants électroniques
croissent régulièrement d'une année à
l'autre.
Il fallait trouver autre chose, à une très grande
échelle. Dans l'immédiat, cependant, il n'est
pas possible d'attendre des solutions miraculeuses venant
d'autres catégories de calculateurs, tel l'ordinateur
quantique ou le problématique ordinateur dit à
ADN. Pourrait-on compter sur la dispersion et le travail en
réseau des « puces » ou unités
de calcul introduites dans les centaines ou milliers d'objets
« intelligents », répandus dans
l'espace sociale? Elles rempliraient des fonctions spécialisées
qui déchargeraient d'autant la charge de travail des
unités centrales intégratrices. Ceci n'est pas
impossible, dans une certaine mesure. Il restera cependant
que les calculs centralisés à grande vitesse
demeureront indispensables, même dans l'existence quotidienne.
Ainsi, en ce qui nous concerne, en tant qu'ordinateurs biologiques,
si nous disposons de l'équivalent de petits ordinateurs
dans chacun de nos organes corporels, nous avons toujours
besoin d'un cerveau puissant et rapide pour intégrer
leurs résultats et élaborer en réponse
des comportements globaux.
La spintronique
C'est alors qu'est intervenue ce que l'on appelle généralement
la spintronique. Cette nouvelle technique s'appuis sur les
propriétés des particules quantiques dites spin.
Elle est issue des travaux sur la magnétorésistance
dite géante (GMR) menés à partir de la
fin de la décennie 1980 et ayant conduit aux découvertes
qui ont permis aux français Albert Fert de l'université
Paris Sud et à l'allemand Peter Grünberg de Centre
de Recherche Jülich d'obtenir le Prix Nobel 2007 (voir
lien ci-dessous).
Comment définir la spintronique? Le spin est une propriété
quantique d'une particule qui, d'une manière imagée
est décrite comme tournant sur elle-même de même
qu'une toupie. Dans le monde quantique, cette rotation ne
produit pas un mouvement physique (moment cinétique)
mais un mouvement magnétique. Une particule possédant
un spin se comporte comme un minuscule aimant, dont les pôles
peuvent basculer du haut (spin up) vers le bas (spin
down) et réciproquement, lorsque l'on applique
à l'électron un champ magnétique approprié,
fut-il très faible.
Les dispositifs spintroniques exploitent cette propriété,
qui permet de stocker de l’information : le support
matériel, celui par exemple du disque dur d'un ordinateur,
est divisé en zones microscopiques correspondant à
autant de bits d’information. Un champ magnétique
est appliqué bit par bit pour orienter les spins des
électrons des atomes du support. Chaque zone correspondra
alors à un bit de valeur zéro ou 1 selon l’orientation
(haut ou bas) des spins dans cette zone.Un courant électrique
traversant un matériau ferromagnétique va voir
la proportion d'électrons spin down et spin up de celui-ci
se modifier. On dit que ces électrons sont polarisés
en spin. De ce fait, on arrive à inscrire une information
dans le spin des électrons.
Un second matériau ferromagnétique traversé
par ce courant polarisé en spin exercera une résistance
différente selon la polarisation du courant et l'orientation
de l'aimantation du matériau. Une mesure de la résistance
électrique permettra de lire l'information représentée
par le spin des électrons.
L'utilisation conjointe de matériaux aimantés
et de l'électronique constitue la base des applications
spintroniques. Le phénomène clé à
maîtriser reste le contrôle précis de l'orientation
de l'aimantation des matériaux ferromagnétiques.
Or celui-ci était impossible à contrôler
autrement que par l'application d'un champ magnétique,
technologiquement difficile à intégrer dans
la fabrication des circuits électroniques.
Or il a été découvert expérimentalement
en 1999 qu'un courant constitué d'électrons
polarisés en spin, c'est-à-dire doté
d'une certaine orientation, up ou down, était capable
d'agir sur l'orientation de l'aimantation d'un matériau
ferromagnétique par le transfert de l'orientation des
électrons constituant le courant sur les électrons
responsables de l'aimantation dans le matériau ferromagnétique.
L'information ainsi stockée est lue par les têtes
de lecture, sans être détruite. La tête
de lecture enregistrant des variations de résistance
électrique en fonction de l'orientation des champs
des particules survolées envoie à l'unité
centrale des impulsions correspondants à des zéro
ou des uns à partir desquelles peuvent être effectués
des calculs en algèbre booléenne.
L'utilisation traditionnelle de l'état d'un électron
dans un semi-conducteur est un système binaire, puisque
cet état représente seulement 1 ou zéro.
Dans ce cas, 8 bits peuvent représenter tous les nombres
entiers entre zéro et 255, mais ceci pour un seul nombre
à la fois, ce qui limite les capacités de calcul,
Par contre, faire appel aux propriétés quantiques
des particules, nommées de ce fait des qubits,
permet d'exploiter les états spin up et spin down comme
une superposition de zéro ou 1. Ainsi 8 qubits couplés
possèdent la propriété de représenter
tous les nombres entiers entre zéro et 255 de façon
simultanée. Les capacités de calcul et de mémorisation
sont considérablement augmentées - à
condition il est vrai de disposer des logiciels nécessaires.
La spintronique et les mémoires
Cette propriété, que l'on cherche à exploiter
à plus grande échelle dans les ordinateurs quantiques,
permet d'ores et déjà d'accroitre considérablement
les capacités de stockage et les temps de réponse
des mémoires modernes. Aujourd'hui, en pratique, la
spintronique est d'abord utilisée au niveau des des
composants qui, tels jadis la bande magnétique, stockent
les données nécessaires à tout calcul,
sans cependant réaliser les opérations d'algèbre
booléenne indispensables au calcul proprement dit ou
aux raisonnements logiques qui s'accomplissent au coeur des
calculateurs, quelle que soit leur taille.
Depuis une quinzaine d'années, des supermémoires
ont été réalisées, permettant
de conserver avec une grande fiabilité des quantités
considérables d'information, puis de les restituer
à l'utilisateur après tris, de façon
à les rendre utilisables. Elles disposent de noms divers
que nous ne mentionnerons pas ici. Il s'agit le plus souvent
de mémoires dites flash.
La mémoire flash est une mémoire de masse à
semi-conducteurs ré-inscriptible, c'est-à-dire
une mémoire possédant les caractéristiques
d'une mémoire système aussi appelée RAM
de l'anglais Random Access Memory (ou mémoire
à accès direct. Cette dernière a toujours
été la mémoire informatique ou vive dans
laquelle un ordinateur place les données lors de leur
traitement et qui ne doivent pas disparaître lors d'une
mise hors tension. Le prix de la RAM et son encombrement empéchaient
de l'utiliser comme mémoire de masse dans les appareils
destinés au grand public, telle une clef USB. La mémoire
flash a permis de résoudre cette difficulté.
Elle stocke les bits de données dans des cellules qui
les conservent en mémoire lorsque l'alimentation électrique
est coupée.
La
vitesse élevée d'une mémoire flash, sa
durée de vie et sa faible consommation, nulle au repos,
la rendent indispensables pour de nombreuses applications :
appareils photo numériques, téléphones
cellulaires, imprimantes, assistants personnels (PDA), ordinateurs
portables ou dispositifs de lecture et d'enregistrement sonore
comme les baladeurs numériques, clés USB, etc.
De plus, ce type de mémoire ne possède pas d'éléments
mécaniques, ce qui lui confère une grande résistance
aux chocs.
Or il faut bien voir que les mémoires de type flash
n'auraient pu exister sans la spintronique. L'objectif des
recherches sur la spintronique n'était pas initialement
d'obtenir de nouveaux transistors pour les unités centrales
de calcul, mais des mémoires capables de résister
à la miniaturisation des disques durs. C'est alors
qu'est intervenu la Magnéto-résistance géante
(GMR) ou effet magnétorésistif géant,
découverte par Albert Fert et Peter Grünberg mentionnée
ci-dessus. Son utilisation dans les têtes de lecture
des disques durs actuels est la première application
de la spintronique.
Pourquoi parler de spintronique ? Qu'est-ce que le spin d'une
particule en ce cas? Il s'agit d'un effet quantique observé
dans les structures de films minces composées d'une
alternance de couches ferromagnétiques et de couches
non magnétiques. Il se manifeste sous forme d'une baisse
significative de la résistance observée sous
l'application d'un champ magnétique externe :
à champ nul, les deux couches ferromagnétiques
adjacentes ont une aimantation antiparallèle, car elles
subissent un couplage ferromagnétique faible. Un champ
magnétique externe induit un renversement d'aimantation:
les aimantations respectives des deux couches s'alignent et
la résistance de la multicouche décroît
brutalement. L'effet se produit parce que le spin des électrons
du métal non magnétique se répartit équitablement
de façon parallèle et antiparallèle,
et subit ainsi une diffusion magnétique moins importante
lorsque les couches ferromagnétiques sont aimantées
de façon parallèle.
L'une
des premières applications de la GMR fut de réaliser
un capteur de champ magnétique pouvant constituer un
nouveau type de tête de lecture dans les disques durs
d'ordinateurs. Le premier dispositif utilisant la magnétorésistance
géante a été commercialisé par
IBM en décembre 1997. Depuis 1999 environ, les recherches
portent sur l'emploi de nanofils organisés en multicouches,
mais également sur l'emploi de nombreux types de matériaux
nanostructurés (agrégats, nanoparticules piégées
dans des substrats diélectriques, etc.);
Le phénomène de magnétorésistance
géante reste très utilisé dans les têtes
de lecture GMR des disques durs modernes. Les mémoires
magnétiques non volatiles (ou MRAM) en sont une autre
application. Cette technologie est très prometteuse
pour remplacer un certain nombre de disques durs sous la forme
de SSD. Un SSD, pour solid-state drive est un matériel
informatique permettant le stockage de données sur
de la mémoire flash. La mémoire flash, comme
indiqué plus haut, est une mémoire de masse
à semi-conducteurs ré-inscriptible, c'est-à-dire
une mémoire possédant les caractéristiques
d'une mémoire vive mais dont les données ne
disparaissent pas lors d'une mise hors tension.
Le terme anglais "solid-state" signifie que
ce matériel est constitué de mémoires
à semi-conducteurs à l'état solide par
opposition aux disques durs classiques, sur lequel les données
sont écrites sur un support magnétique en rotation
rapide.Un SSD est matériellement plus solide qu'un
disque dur, Cette spécificité lui permet une
résistance aux chocs et aux vibrations bien plus importante
que celle des disques mécaniques, ce qui est important
pour tous les appareils portables. Les SSD surclassent les
disques durs classiques au niveau de la performance (débit,
latence , consommation). Néanmoins, le rapport prix-espace
de stockage reste encore largement à l'avantage du
disque mécanique en 2014.
La spintronique et les processeurs
de l'unité centrale
Tout ce que nous venons de décrire concerne, d'une
façon générale, les mémoires et
la capacité d'y accéder, avec plus ou moins
de vitesse et de facilité. Mais aujourd'hui, les chercheurs
en spintronique s'attaquent aux processeurs qui constituent
le cœur de toutes les machines, quelles que soient leurs
tailles. Ceux-ci sont constitués aujourd'hui de centaines
de millions de transistors dont l'état, 1 ou zéro,
bascule en fonction des courants qui leur sont appliqués.
Ces changements d'état permettent d'établir
des portes logiques, chacune d'elles étant dédiée
à une seule opération. Ainsi une porte NAND
(Negated AND or NOT AND) produit un zéro si les deux
entrées dans la porte sont 1 . Si l'une des entrées
est zéro, le produit est 1. Et réciproquement.
Dans l'électronique traditionnelle, la plupart des
fonctions booléennes peuvent être accomplies
par de telles portes, qui sont constituées de combinaisons
de transistors. L'écriture-lecture d'un simple e-mail
et a fortiori d'un article comme celui que vous lisez ici,
entraîne la mise en jeu de millions de portes, en fonction
de l'importance du programme utilisé. Ceci exige l'accumulation
de centaines de millions de portes qui encombrent l'unité
de traitement pour des résultats pouvant être
très banaux – sans mentionner la consommation
de courant et la déperdition de chaleur en résultant.
La diminution de taille des matériels, fussent-il portables,
se heurte par ailleurs de plus en plus, selon les fonctions
exigées, à des limites dont la plupart paraissent
atteintes aujourd'hui. Il était donc tentant de faire
appel au spin des électrons, plutôt qu'à
des courants électriques. Leur état, 1 ou zéro,
une fois établi demeure établi, et n'a pas besoin
d'être entretenu. D'où des économies de
courant et de dispositifs de réfroidissement.
C'est ce qu'a permis la spintronique. Différents chercheurs
ont démontré à partir de 2007 la fiabilité
du « spin processing » à
partir d'un « spin transistor » .
Ce premier dispositif améliore le fonctionnement du
transistor classique en faisant appel au spin, tel que décrit
dans la première partie de cet article. Mais il était
inévitable de chercher à faire beaucoup mieux.
Aujourd'hui, une véritable électronique à
base de spin-transistors est en cours de développement.
On parle de Spin-Transistor Electronics. Elle repose
sur des composants utilisant deux courants spin-polarisés
en entrée, et deux contacts magnétiques dont
les spins peuvent être changés à la demande
. Il en résulte une porte dont le fonctionnement logique
devient modifiable "à la volée". On
emploie parfois le terme de flexi-logique.
Au lieu de disposer de matériels dont le type de chacune
des portes logiques est fixé irrévocablement
à la construction, des portes qui peuvent se recâbler
elles-mêmes offre l'équivalent d'un costume dont
les dimensions peuvent être modifiées à
la demande et très rapidement en fonction des exigences
du client.
Malgré ces avantages, il ne faut pas espérer
que les composants et processeurs traditionnels seront rapidement
abandonnés. Le coût de nouvelles fonderies, devant
maîtriser une physique encore mal connue et difficile
à implémenter, ralentira le mouvement. La "vieille" électronique
survivra tant que ses limites physiques et économiques
ne seront pas atteintes, au regard des besoins nouveaux qui
se manifesteront. Les experts prévoient en général
une décennie avant que la spintronique, déjà
très installée nous l'avons vu dans le domaine
des mémoires, ne transforme le coeur des processeurs.
La spintronique et la simulation
des circuits cérébraux
De nouveaux besoins pourront cependant se faire sentir rapidement,
qui élargiront d'une façon quasi exponentielle
les perspectives de la spintronique. Il s'agira de simuler
le fonctionnement des échanges interneuronaux et des
opérations logiques accomplies par le cerveau. Celui-ci,
comme nul n'en ignore, ne travaille pas sur le mode séquentiel,
mais de façon massivement parallèle. De plus
les neurones ne s'excitent que si les signaux que chacun d'eux
reçoit dépassent un certain seuil.
Très récemment, le fabricant de puces Qualcomm,
installé à San Diego, a annoncé qu'il
comptait fabriquer et vendre prochainement des puces neuromorphiques
qui regroupées en circuits complexes, pourraient offrir
les mêmes performances que les neurones biologiques.
Mais la physicienne française Julie Grollier de l'unité
mixte de physique CNRS/Thales (voir liens ci-dessous) rappelle
qu'il faut des dizaines de transistors pour représenter
un seul neurone et de nouvelles dizaines pour une seule synapse.
L'équipe qu'elle dirige, assistée d'Albert Fert,
propose une approche différente. Il s'agit de ce qu'elle
a nommé un spin memristor, visant à tirer
un meilleur parti des propriétés quantiques
du spin. C'est une porte dont les sorties peuvent être
définies par un courant prenant toutes les valeurs
possibles, entre le zéro et le un. Les spécialistes
se référeront à un article de l'équipe
lequel vient de paraître dans Nature Physics "Vertical-current-induced
domain-wall motion in MgO-based magnetic tunnel junctions
with low current densities" http://www.nature.com/nphys/journal/v7/n8/full/nphys1968.html
Selon Julie Grollier, un seul spin memristor pourrait fonctionner
comme une synapse, offrant une résistance programmable
simulant la force des connexions interneuronales. Les neurones
eux-mêmes pourraient être simulés par d'autres
types de spin memristors dont les couches magnétiques
plus épaisses demanderaient un certain seuil dans le
courant de spin pour basculer d'un état à l'autre.
Il
est trop tôt pour l'affirmer, mais on peut penser que
ces travaux tout récents, où la France répétons-le
tient une part importante, devraient apporter des éléments
très efficaces dans la construction de cerveaux artificiels
qui se poursuit par ailleurs.
Avec
l'ensemble des perspectives évoquées dans cet
article, l'avenir de la spintronique parait assuré.
Les jeunes ingénieurs-chercheurs, s'ils ne le sont
pas encore, devraient en être persuadés. L'ingénierie
financière, qui a mobilisé ces dernières
années beaucoup de matière grise, devrait par
comparaison reprendre une place plus modeste.
Pour
en savoir plus
* Sur l'ensemble du sujet, lire NewScientist, 11 janvier
2014: "Spin revolution" par Jon Cartwright
* Spintronique : http://fr.wikipedia.org/wiki/Spintronique
* Magnétorésistance géante : http://fr.wikipedia.org/wiki/Magn%C3%A9tor%C3%A9sistance_g%C3%A9ante
* Spin transistor http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_transistor
* Spin transistor electronics : http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=5628288&url
=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org
%2Fiel5%2F5%2F5628287%2F05628288.pdf%3Farnumber%3D5628288
*Julie Grollier http://www.trt.thalesgroup.com/ump-cnrs-thales/phonebook/grollier.htm
* Unité Mixte de Physique CNRS/Thales UMR 137 :
http://www.trt.thalesgroup.com/ump-cnrs-thales/
Par ailleurs
* Sur Albert Fert et Peter Grünberg, Prix Nobel de Physique
2007, ainsi que sur l' itinéraire de découverte
de la GMR jusqu'à la spintronique, voir
http://www.trt.thalesgroup.com/ump-cnrs-thales/nobel/nobelprize_physics_2007.pdf
Note
On
considère généralement, y compris au
niveau des pouvoirs publcs, qu'il n'y a pas de place pour
la France dans ce secteur très évolutif. En
témoigne l'indifférence qui a suivi le rachat
par la concurrence étrangère du leader des Cartes
à puces, Gemplus, comme celle qui se manifeste face
à la disparition probable de LFoundry.Rousset, détentrice
pourtant de perspectives intéressantes. Ce n'est évidemment
pas le cas. On l'a vu ici en ce qui concerne la recherche.
Mais il existe des potentiels industriels non négligeables,
non seulement dans les entreprises travaillant pour l'espace
et la défense, mais dans les secteurs plus concurrentiels.
Voir par exemple l'entreprise Crocus.Technology (http://www.minatec-entreprises.fr/Crocus-Technology).
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