Percée de la mémoire Ni₄W permet un commutateur sans champ magnétique

Les dernières avancées technologiques, allant du big data à l’intelligence artificielle (IA) en passant par l’Internet des objets (IoT), collectent et traitent d’énormes quantités de données. Pour cela, elles ont besoin d’une haute efficacité énergétique, d’un transfert de données à faible latence et d’un traitement à grande vitesse. 

Ici, les avancées en calcul haute performance (HPC) sont essentielles pour améliorer les capacités de traitement des données, en tirant parti du traitement parallèle, du matériel puissant et des logiciels sophistiqués.

Cependant, l’accès à la mémoire tend à constituer le goulot d’étranglement, créant ainsi un besoin pressant de technologies de mémoire compatibles avec ces exigences.

La technologie de la mémoire permet l’accès, le stockage et la modification des données. L’information est représentée par des collections de bits, chaque bit étant soit zéro soit un (ou, alternativement, vrai ou faux).

Idéalement, la lecture et l’écriture de la mémoire se font en un temps négligeable, consomment peu d’énergie, occupent un espace insignifiant et conservent indéfiniment leur valeur stockée. Mais bien sûr, en pratique, aucune technologie de mémoire ne remplit ces conditions idéales. Différentes technologies ont leurs propres forces et faiblesses, et il n’existe pas de meilleure technologie de mémoire unique.

La technologie de la mémoire est principalement divisée en deux catégories:

• Volatile
• Non volatile

Cela repose sur la conception des cellules. Les cellules sont les unités de base de la mémoire, en fait un « ensemble » de « cellules de mémoire », où chaque cellule contient un bit de données, et les caractéristiques d’une cellule unique reflètent celles de l’ensemble complet.

Une mémoire volatile fonctionne tant qu’elle est alimentée et perd les informations stockées lorsque l’alimentation est coupée. Ainsi, ce type de mémoire peut être utilisé pour stocker des données temporairement.

À l’inverse, une mémoire non volatile conserve sa valeur stockée même lorsque l’alimentation est retirée. Pour ce type particulier de mémoire, une technologie semi-conductrice sophistiquée est appliquée, car elle est plus difficile à fabriquer et à écrire électroniquement.

Avec la disponibilité croissante de technologies de mémoire plus sophistiquées sur le marché, la distinction entre ces deux catégories de mémoire devient de plus en plus floue.

Percées dans la technologie de la mémoire

Compte tenu de l’importance de la technologie de la mémoire pour le fonctionnement et les performances de divers appareils et systèmes électroniques, puisqu’elle permet aux ordinateurs et autres dispositifs de stocker et de récupérer les informations nécessaires à leur utilisation, les chercheurs ont continuellement exploré de nouvelles façons de la rendre plus efficace.

Au fil des années, plusieurs percées ont révolutionné la technologie. Dans le but de surmonter les limites des solutions actuelles de RAM et de stockage, la recherche en cours favorise un calcul plus rapide et plus économe en énergie, et ouvre la voie à de nouvelles applications dans des domaines tels que l’IA et le calcul neuromorphique.

PCM et innovations à faible consommation

Certaines des avancées clés dans ce domaine incluent de nouveaux matériaux PCM (mémoire à changement de phase) permettant de créer un type de mémoire unique combinant la vitesse de la RAM avec la non‑volatilité du stockage flash.

Dans le domaine du PCM, à la fin de l’année dernière, des scientifiques ont découvert¹ une nouvelle technique pour réduire les besoins énergétiques du PCM jusqu’à un milliard de fois.

« L’une des raisons pour lesquelles les dispositifs de mémoire à changement de phase n’ont pas atteint une utilisation généralisée est la consommation d’énergie requise, » a déclaré l’auteur Ritesh Agarwal, professeur de science et génie des matériaux à Penn Engineering, ce qui signifie que le potentiel de ces nouvelles découvertes est « immense » pour la conception de dispositifs de mémoire à faible consommation.

Cette découverte particulière repose sur les propriétés uniques du sélénure d’indium (In2Se3), un matériau semi-conducteur présentant à la fois des caractéristiques piézoélectriques (matériaux qui se déforment physiquement lorsqu’ils sont exposés à une charge électrique) et ferroélectriques (matériaux capables de générer un champ électrique interne sans nécessiter de charge externe). 

Lorsque le sélénure d’indium a été exposé à un courant continu, les chercheurs ont observé que certaines sections s’amorphisaient, perturbant la structure cristalline et ouvrant « un nouveau champ sur les transformations structurelles pouvant se produire dans un matériau lorsque toutes ces propriétés se combinent ». 

Multiféroïques et stockage de données efficace

Les matériaux multiféroïques qui présentent à la fois des propriétés ferroélectriques et ferromagnétiques pour un stockage de données non destructif sont également explorés par les chercheurs. 

Un tel matériau est le BiFeO3 substitué au cobalt (BiFe0.9Co0.1O3, BFCO), qui présente un fort couplage magnétéoélectrique, permettant une écriture de données économe en énergie. L’année dernière, des chercheurs de l’Institut de technologie de Tokyo ont développé² des nanodots BFCO avec des domaines ferroélectriques et ferromagnétiques uniques.

Cette année, les chercheurs ont progressé³, s’appuyant sur les recherches précédentes pour démontrer une fonctionnalité de commutation réelle dans des films minces orientés. Le contrôle dynamique montre une commutation de magnétisation entraînée par champ électrique dans un format plus compatible avec les dispositifs.

Solutions ferroélectriques et nouvelles conceptions de mémoire

La technologie des chiplets est une autre approche où plusieurs puces plus petites, ou chiplets, sont montées sur un substrat qui les interconnecte, permettant une bande passante et une densité de mémoire supérieures. Parallèlement, les avancées dans les technologies NAND flash et DRAM continuent de progresser vers des nœuds de processus plus petits, avec un accent sur l’augmentation de la bande passante et de l’efficacité énergétique.

Bien que la mémoire NAND flash soit l’une des technologies les plus répandues pour le stockage massif de données grâce à sa capacité à stocker davantage de données dans la même surface en empilant les cellules en structure 3D, elle dépend de pièges de charge pour stocker les données, ce qui implique des tensions de fonctionnement plus élevées et des vitesses plus lentes.

Une solution prometteuse à cela est la mémoire ferroélectrique à base d’hafnia (oxyde d’hafnium), mais le défi réside dans la capacité de stockage limitée.

Une équipe du POSTECH a résolu ce problème⁴ en dopant les matériaux ferroélectriques avec de l’aluminium, créant ainsi des films minces ferroélectriques haute performance. De plus, ils ont utilisé une structure innovante métal‑ferroélectrique‑métal‑ferroélectrique‑semi‑conducteur (MFMFS), plutôt que la structure MFS typique.

Cela leur a permis de contrôler avec succès la tension dans chaque couche en ajustant finement des facteurs tels que l’épaisseur et le rapport de surface des couches. En conséquence, l’équipe a atteint une fenêtre de mémoire dépassant 10 volts (V), contre seulement 2 V dans les dispositifs conventionnels.

Couple de spin-orbite et évolution de la mémoire magnétique

Même l’informatique quantique suscite beaucoup d’intérêt en tant que technologie émergente ouvrant la voie à des dispositifs informatiques plus puissants, efficaces et polyvalents à l’avenir.

Il existe également la mémoire vive à accès aléatoire magnétique à couple de spin-orbite (SOT‑MRAM), économe en énergie, où les courants électriques sont utilisés pour commuter les états magnétiques et obtenir une grande vitesse avec une faible consommation d’énergie.

Plus tôt cette année, une équipe de chercheurs de l’Institut de physique JGU a partagé leur innovation⁵ basée sur le SOT‑MRAM, qui montre un potentiel de réduction de la consommation d’énergie de plus de 50 % et d’augmentation de l’efficacité de 30 %. Elle réduit également le courant d’entrée nécessaire à la commutation magnétique pour stocker les données de 20 % et atteint une stabilité thermique garantissant la longévité du stockage des données.

Mémoire photonique et magnétro‑optique

Contrôler les puces de mémoire optique à l’aide de la lumière et des aimants est une autre façon d’améliorer la vitesse de traitement et l’efficacité.

Dans un développement, des scientifiques ont conçu un verrou photonic programmable construit sur une plateforme photonic en silicium. Chaque unité de mémoire du système est alimentée par sa propre source lumineuse, permettant à plusieurs unités de fonctionner indépendamment. Cela empêche la dégradation du signal que la perte de puissance optique peut provoquer, rendant l’architecture plus évolutive pour des systèmes plus grands.

Farshid Ashtiani de Nokia Bell Labs a expliqué le potentiel :

« Les grands modèles de langage comme ChatGPT reposent sur d’énormes quantités d’opérations mathématiques simples, telles que la multiplication et l’addition, effectuées de manière itérative pour apprendre et générer des réponses. »

Et bien que les ordinateurs optiques à grande échelle soient encore à plusieurs années, cette mémoire optique représente un pas significatif dans cette direction.

Parallèlement, une autre équipe a présenté une nouvelle technologie de mémoire magnétro‑optique utilisant du grenat ferrique d’yttrium substitué au cérium (Ce:YIG). Ce matériau présente un comportement optique réglable lorsqu’il est exposé à des champs magnétiques. En intégrant des aimants microscopiques, les chercheurs ont pu stocker et manipuler des données via des changements de propagation de la lumière.

Ainsi, ils ont introduit une nouvelle classe de mémoires magnétro‑optiques dont les vitesses de commutation sont 100 fois plus rapides que les technologies photoniques intégrées avancées et qui consomment environ un dixième de la puissance. Les mémoires magnétro‑optiques peuvent également être réécrites plus de 2,3 milliards de fois.

Ni₄W : Magnétisation sans champ réalisée

Des chercheurs de l’Université du Minnesota Twin Cities ont récemment annoncé une nouvelle avancée dans la technologie de la mémoire. 

Publié dans la revue scientifique à comité de lecture Advanced Materials, l’étude détaillait le développement⁸, qui impliquait l’utilisation de Ni₄W, un alliage de nickel et de tungstène. Ce métal inverse la magnétisation sans nécessiter d’aimants, et montre ainsi un potentiel pour alimenter les électroniques de prochaine génération.

Avec l’équipe présentant une méthode pour produire des courants de spin afin de contrôler la magnétisation dans les dispositifs, l’étude ouvre la voie à des mémoires et dispositifs logiques informatiques moins chers, plus rapides et plus efficaces.

Commuter la magnétisation du métal sans aimants

Avec la demande croissante pour les technologies de mémoire émergentes, les chercheurs explorent activement différentes alternatives aux solutions de mémoire existantes qui peuvent augmenter la fonctionnalité des technologies quotidiennes tout en consommant moins d’énergie.

Ainsi, les chercheurs de l’Université du Minnesota se sont tournés vers un nouveau matériau pour rendre la mémoire informatique plus rapide et plus économe en énergie.

Le matériau est un alliage nickel‑tungstène, une classe de matériaux connue pour sa haute densité, sa résistance et sa résistance à l’usure et à la corrosion. Dans ces alliages, la composition spécifique des métaux influence leurs propriétés. 

Dans cette étude, les chercheurs ont utilisé le Ni₄W, un matériau qui présente de puissantes propriétés de contrôle magnétique.

Pour choisir le Ni₄W, l’équipe a d’abord recherché dans la base de données des matériaux des candidats potentiels avec des phases stables dans le groupe d’espace I4/m, puis a utilisé des calculs de théorie fonctionnelle de la densité (DFT), qui ont identifié le Ni₄W comme le candidat le plus prometteur en raison de son efficacité théorique élevée en SOT et de son statut d’état fondamental pour le système inter‑métallique binaire Ni‑W.

L’équipe a confirmé l’existence d’une conductivité Hall de spin non conventionnelle (USHC) pour le Ni₄W (100) ainsi que pour le Ni₄W (211), mais a choisi de concentrer ses efforts expérimentaux sur ce dernier en raison de son efficacité SOT supérieure, qui dépasse celle du premier. 

« Les calculs théoriques confirment que le Ni₄W (211) est l’orientation cristalline la plus optimale pour l’USHC », indique l’étude, ajoutant que sa structure de réseau de type hexagonal facilite sa croissance expérimentale.

Le matériau peut rendre la mémoire informatique plus rapide ainsi que réduire de façon significative la consommation d’énergie des appareils électroniques. Les chercheurs ont déposé un brevet sur cette technologie.

« Le Ni₄W réduit la consommation d’énergie lors de l’écriture des données, ce qui pourrait diminuer de façon significative la consommation d’énergie dans les appareils électroniques », a déclaré le principal auteur de l’article, Jian‑Ping Wang, professeur distingué McKnight et titulaire de la chaire Robert F. Hartmann au département d’ingénierie électrique et informatique (ECE) de l’Université du Minnesota.

Contrairement aux matériaux conventionnels, le Ni₄W à faible symétrie permet une commutation « sans champ ». Cela signifie que le matériau peut changer ses états magnétiques sans nécessiter d’aimants. C’est grâce à la génération de courants de spin dans plusieurs directions que le Ni₄W peut inverser les états magnétiques « sans champ » sans recourir à des champs magnétiques externes. 

Dans leurs travaux, l’équipe apporte de nouvelles perspectives sur le matériau tout en présentant une approche plus efficace pour contrôler la magnétisation dans de petits dispositifs électroniques en utilisant cette combinaison de nickel et de tungstène.

Selon l’étude, les chercheurs ont constaté que le Ni₄W génère un fort couple de spin-orbite (SOT), une méthode pour manipuler le magnétisme dans les technologies de mémoire de prochaine génération.

Le SOT est une technologie émergente qui permet une manipulation efficace des dispositifs spintroniques, qui utilisent le spin intrinsèque des électrons ainsi que leur charge, pour stocker et manipuler l’information.

Ce mécanisme découle des effets du couplage spin‑orbite (SOC), tels que l’effet Hall anomalique (AHE), l’effet Hall de spin (SHE) et l’effet Rashba, et montre des performances supérieures en termes d’efficacité et de vitesse. 

Bien que le SOT offre une méthode efficace pour manipuler la magnétisation des matériaux ferromagnétiques (qui présentent des magnétisations permanentes et possèdent un moment magnétique permanent en l’absence de champ externe) dans les dispositifs de mémoire, les matériaux SOT conventionnels comme les métaux lourds et les isolants topologiques sont limités par leur haute symétrie cristalline.

En conséquence, les chercheurs utilisent soit des matériaux à faible symétrie, soit brisent la haute symétrie à l’aide d’un champ magnétique externe pour produire des courants de spin non conventionnels, permettant une commutation déterministe sans champ de la magnétisation perpendiculaire. 

Malgré les progrès, l’efficacité SOT de ces matériaux reste faible, limitant leur application pratique. Ce n’est toutefois pas le cas du nouveau matériau, qui montre une grande efficacité SOT de 0,3 à température ambiante.

« Nous avons observé une forte efficacité SOT avec des directions multiples dans le Ni₄W, à la fois seul et lorsqu’il est superposé à du tungstène, ce qui indique son fort potentiel d’utilisation dans des dispositifs spintroniques à faible consommation et à haute vitesse. »

– Co‑premier auteur de l’article, Yifei Yang, doctorante en cinquième année dans le groupe de Wang

Une grande efficacité SOT de 0,73 a également été observée dans W/Ni₄W (5 nm), mais cela pourrait provenir d’effets extrinsèques.

Il est à noter que le nouveau matériau est fabriqué à partir de métaux courants et, en conséquence, peut être produit à l’aide de procédés industriels standard. Cette facilité de fabrication en fait un processus à faible coût, rendant le Ni₄W attrayant pour les partenaires industriels. Cela signifie également que la technologie peut être intégrée facilement dans les produits du quotidien tels que les téléphones et les montres intelligentes, et ce dans un avenir proche.

« Nous sommes très enthousiastes de voir que nos calculs ont confirmé le choix du matériau et l’observation expérimentale du SOT. »

– Co‑premier auteur de l’article, Seungjun Lee, chercheur postdoctoral en ECE

Ainsi, l’étude a conclu que le Ni₄W est un matériau SOT non conventionnel prometteur pour les dispositifs spintroniques à haute efficacité énergétique. Étant peu coûteux à produire, il peut trouver une large application dans des appareils tels que les téléphones ainsi que les centres de données, rendant l’avenir de l’électronique à la fois plus intelligent et plus durable.

Dans les prochaines étapes, l’équipe fera croître ces matériaux en un dispositif, plus petit que leurs travaux précédents.

Investir dans la technologie de la mémoire

Micron Technology (MU ), un acteur majeur du DRAM, du NAND et des solutions de mémoire à bande passante élevée, investit massivement dans la mémoire de prochaine génération, telle que la HBM, pour les charges de travail IA. À l’avenir, nous pouvons nous attendre à ce que l’entreprise intègre des solutions novatrices, comme la mémoire spintronique ou basée sur le SOT, lorsqu’elles seront commercialement viables.

Micron Technology (MU )

Avec une capitalisation boursière de 126,7 milliards de dollars, les actions MU se négocient actuellement à 112,78 $, en hausse de 34,54 % jusqu’à présent cette année. Elles affichent un BPA (TTM) de 5,52 et un PER (TTM) de 20,53. Le rendement du dividende que les actionnaires peuvent percevoir est de 0,41 %.

Concernant la situation financière de l’entreprise, elle a déclaré un chiffre d’affaires de 9,30 milliards de dollars pour le troisième trimestre de l’exercice 2025, qui s’est terminé le 29 mai 2025. Cela représente une hausse de 15,5 % par rapport au trimestre précédent et de 36,5 % par rapport à la même période l’année dernière.

Le revenu net GAAP pour la période était de 1,89 milliard de dollars, soit 1,68 $ par action diluée, et le revenu net non GAAP était de 2,18 milliards de dollars, soit 1,91 $ par action diluée. Son flux de trésorerie opérationnel a également augmenté à 4,61 milliards de dollars.

Micron a terminé le trimestre avec 12,22 milliards de dollars en liquidités, placements négociables et trésorerie restreinte.

Le chiffre d’affaires record, a noté le PDG Sanjay Mehrotra, a été stimulé par des revenus DRAM records, incluant une croissance séquentielle de près de 50 % des revenus HBM. Les revenus des centres de données ont également atteint un record au cours du trimestre, tandis que les marchés finaux orientés consommateurs ont enregistré une forte croissance séquentielle.

« Nous sommes sur la bonne voie pour atteindre un chiffre d’affaires record avec une rentabilité solide et un flux de trésorerie disponible en exercice 2025, tout en réalisant des investissements disciplinés pour renforcer notre leadership technologique et notre excellence manufacturière afin de répondre à la demande croissante de mémoire alimentée par l’IA. »

– PDG Sanjay Mehrotra

Dans ce contexte, l’entreprise a annoncé que son offre HBM3E 36 Go 12‑high sera intégrée aux prochains GPU d’AMD (série Instinct™ MI350), essentiels pour l’entraînement de grands modèles d’IA et la gestion de charges de travail HPC complexes telles que le traitement des données et la modélisation computationnelle.

Micron a également annoncé un plan d’expansion aux États‑Unis de 200 milliards de dollars incluant la fabrication de mémoire domestique et la R&D, qui devrait créer 90 000 emplois directs et indirects. Parallèlement, elle a finalisé un financement direct de 275 millions de dollars dans le cadre du CHIPS Act.

Dernières actualités et développements des actions Micron Technology (MU)

Réflexions finales sur l’avenir de la technologie de la mémoire

La technologie de la mémoire continue d’évoluer et de remodeler les bases de l’informatique moderne. Des innovations à changement de phase aux percées spintroniques, toutes ces avancées promettent des solutions plus rapides, plus économes en énergie et évolutives pour l’IA, le big data et les électroniques grand public de prochaine génération.

La découverte récente de l’alliage Ni₄W, avec sa commutation de magnétisation sans champ, pourrait s’avérer révolutionnaire, comblant le fossé entre rentabilité et solutions de mémoire haute performance et ouvrant potentiellement la voie à l’adoption généralisée de la mémoire à couple de spin-orbite dans l’électronique grand public dans les années à venir.

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Références :

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2. Ozawa, K.; Nagase, Y.; Katsumata, M.; Shigematsu, K.; Azuma, M. Electric-Field Control of the Magneto-Optical Effect in a Transparent Perovskite Oxide. ACS Applied Materials & Interfaces, 16 (16), 20930–20936 (2024). Publié en ligne le 24 avril 2024. https://doi.org/10.1021/acsami.4c01232
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4. Kim, I.–J.; Lee, J.–S.; … Lee, J.–S. Unlocking Large Memory Windows and 16-Level Data‑Per‑Cell Memory Operations in Hafnia‑Based Ferroelectric Transistors. Science Advances, publié en ligne le 7 juin 2024, 10 (23): eadn1345. https://doi.org/10.1126/sciadv.adn1345
5. Gupta, R.; Bouard, C.; Kammerbauer, F.; Ledesma‑Martín, J. O.; Bose, A.; Kononenko, I.; Martin, S.; Usé, P.; Jakob, G.; Drouard, M.; Kläui, M. Harnessing Orbital Hall Effect in Spin‑Orbit Torque MRAM. Nature Communications, 16, 130 (2025). Reçu le 18 septembre 2024 ; accepté le 12 décembre 2024 ; publié le 2 janvier 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55437-x
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