Une nouvelle puce mémoire résiste à des températures supérieures à celles de la lave.
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Les composants électroniques de votre téléphone, de votre voiture et de chaque satellite en orbite autour de la Terre partagent une faiblesse critique : la chaleur. Au-delà de 200 °C environ, ils commencent à dysfonctionner. Pendant des décennies, cette limite thermique a constitué l’un des plus grands défis de l’ingénierie. Or, une équipe de l’Université de Californie du Sud a peut-être trouvé une solution.
Dans une étude publiée dans la revue Science , des chercheurs dirigés par Joshua Yang, professeur titulaire de la chaire Arthur B. Freeman au département de génie électrique et informatique Ming Hsieh de l'école d'ingénierie Viterbi de l'USC et à l'école d'informatique avancée de l'USC, présentent un nouveau type de dispositif de mémoire électronique fonctionnant de manière fiable à 700 degrés Celsius, une température supérieure à celle de la lave en fusion et bien au-delà de tout ce qui avait été atteint jusqu'alors. Le dispositif n'a montré aucun signe de défaillance. Sept cents degrés représentaient tout simplement la température maximale que leur équipement de test pouvait supporter.
« On peut parler de révolution », a déclaré Yang. « C'est la meilleure mémoire haute température jamais mise au point. »
Un minuscule sandwich de matériaux extrêmes
Ce dispositif est un memristor, un composant nanométrique capable à la fois de stocker des informations et d'effectuer des opérations de calcul. Imaginez-le comme un minuscule sandwich : deux couches d'électrodes à l'extérieur et une fine couche de céramique au centre.
Jian Zhao, premier auteur de l'article, a conçu ce memristor particulier en utilisant du tungstène, métal possédant le point de fusion le plus élevé de tous les éléments, comme couche supérieure, de la céramique d'oxyde d'hafnium au milieu et du graphène en dessous. Le graphène est une feuille de carbone d'une seule couche atomique d'épaisseur, le même élément que le diamant, et, à l'instar des matériaux qui l'entourent, il peut résister à des températures extrêmement élevées sans se dégrader.
Le résultat fut un appareil qui conservait des données pendant plus de 50 heures à 700 degrés sans avoir besoin d'être rafraîchi, qui résistait à plus d'un milliard de cycles de commutation à cette température et qui fonctionnait avec seulement 1,5 volt et une vitesse de fonctionnement de quelques dizaines de nanosecondes.
Une découverte accidentelle
L'équipe de Yang cherchait initialement à concevoir un autre type de dispositif à base de graphène. Les résultats n'étaient pas encore ceux escomptés. C'est alors qu'ils ont fait une découverte inattendue.
« Honnêtement, c'était un accident, comme la plupart des découvertes », a déclaré Yang. « Si on peut le prédire, ce n'est généralement pas surprenant, et probablement pas assez significatif. »
En approfondissant leurs recherches, l'équipe a compris le mécanisme. Dans un dispositif classique, la chaleur provoque la migration lente des atomes métalliques de l'électrode supérieure à travers la couche de céramique jusqu'à ce qu'ils atteignent l'électrode inférieure. À ce moment-là, les deux électrodes se connectent de manière permanente, court-circuitant le dispositif et le bloquant en état « marche », le rendant ainsi inutilisable.
Le graphène stoppe ce processus. Sa chimie de surface avec le tungstène est, comme l'a dit Yang, presque comme celle de l'huile et de l'eau. Les atomes de tungstène qui dérivent vers la surface du graphène ne peuvent s'y fixer. Sans point d'ancrage, ils migrent. Sans ancrage, pas de court-circuit, pas de défaillance.
L'équipe n'a pas simplement observé cet effet. Grâce à la microscopie électronique avancée, à la spectroscopie et à des simulations informatiques quantiques, elle a déterminé précisément ce qui se passe à l'interface atomique entre le graphène et le tungstène. Cette compréhension mécanistique, explique Yang, permet de transformer un résultat fortuit en une application générale. D'autres matériaux présentant une chimie de surface similaire à celle du graphène pourraient désormais être identifiés et testés, ce qui faciliterait potentiellement la fabrication du dispositif à l'échelle industrielle.
Où le nouveau memristor pourrait être utilisé
Les agences spatiales réclament depuis longtemps des systèmes électroniques capables de fonctionner à plus de 500 degrés Celsius, soit approximativement la température de surface de Vénus, ce qui a empêché toutes les missions d'atterrissage qui s'y sont déroulées. Les puces en silicium actuelles ne résistent qu'à des températures bien inférieures.
« Nous sommes maintenant au-dessus de 700 degrés, et nous soupçonnons que cela va encore augmenter », a déclaré Yang.
Les applications potentielles vont bien au-delà de l'exploration planétaire. Le forage géothermique en eaux profondes exige des composants électroniques capables de résister à des environnements où la roche environnante devient incandescente. Les systèmes d'énergie nucléaire et de fusion génèrent une chaleur intense à proximité de leurs équipements de contrôle. Même pour les applications courantes, l'avantage est indéniable : un appareil conçu pour résister à des températures de 700 degrés est quasiment indestructible face aux pics de chaleur de 125 degrés auxquels les ordinateurs de bord sont régulièrement exposés.
Quelles sont les conséquences pour l'IA ?
Au-delà du stockage de données, cet appareil possède une seconde capacité qui le rend particulièrement pertinent pour l'intelligence artificielle. L'opération fondamentale de presque toutes les tâches d'IA, de la reconnaissance d'images au traitement du langage, repose sur un calcul mathématique appelé multiplication matricielle. Les ordinateurs numériques actuels l'exécutent de manière séquentielle, étape par étape, consommant ainsi d'énormes quantités d'énergie.
Un memristor fonctionne différemment. En exploitant la loi d'Ohm , selon laquelle la tension multipliée par la conductance est égale au courant, le dispositif effectue physiquement la multiplication instantanément lors du passage du courant électrique. Le résultat est simplement le courant que vous mesurez.
« Plus de 92 % des calculs effectués par les systèmes d’IA comme ChatGPT ne sont que des multiplications matricielles », a déclaré Yang. « Ce type d’appareil peut réaliser ces opérations de la manière la plus efficace, beaucoup plus rapidement et avec une consommation d’énergie moindre. »
Avec trois co-auteurs de l'article (Qiangfei Xia, Miao Hu et Ning Ge), Yang a déjà cofondé la start-up TetraMem , qui commercialise des puces memristors fonctionnant à température ambiante pour le calcul en intelligence artificielle. Son laboratoire dispose de puces TetraMem parfaitement fonctionnelles, utilisées quotidiennement par les étudiants pour exécuter des tâches d'apprentissage automatique à des vitesses et avec une efficacité inégalées par le matériel conventionnel. La version haute température présentée dans cet article pourrait étendre ces capacités à des environnements inaccessibles aux puces conventionnelles, permettant ainsi à un engin spatial, une sonde ou un capteur industriel de traiter des données sur site.
À quelle distance se trouve le produit final ?
Il prend soin de ne pas surestimer l'imminence de cet avenir. La mémoire seule ne constitue pas un ordinateur complet. Il faut également développer et intégrer des circuits logiques haute température, et les dispositifs actuels ont été fabriqués manuellement à l'échelle submicronique en laboratoire. Le passage à une échelle supérieure prendra du temps.
« C’est un premier pas », a déclaré Yang. « Il reste encore beaucoup de chemin à parcourir. Mais logiquement, comme vous pouvez le constater, c’est désormais possible. L’élément manquant a été créé. »
Du point de vue de la fabrication, deux des trois matériaux entrant dans la composition du dispositif, le tungstène et l'oxyde d'hafnium, sont déjà couramment utilisés dans les fonderies de semi-conducteurs du monde entier. Le graphène est plus récent dans l'industrie, mais TSMC et Samsung l'ont intégré à leurs plans de développement, et sa culture à l'échelle de la plaquette a déjà été réalisée dans le cadre de la recherche.
Pour Yang, le fait que la revue Science ait accepté l'article reflète quelque chose de plus grand que les résultats d'un seul laboratoire.
« L’exploration spatiale n’a jamais été aussi concrète, aussi proche et à une telle échelle », a-t-il déclaré. « Cet article représente un pas de géant vers une frontière bien plus vaste et passionnante. »