Informatique
Magnons : L’avenir des puces à faible consommation d’énergie
Magnon Computing: Une nouvelle voie vers des puces à faible consommation d’énergie
À mesure que notre demande de puissance de calcul augmente, les méthodes utilisées jusqu’à présent deviennent lentement insuffisantes. Notamment, toutes les puces à base de silicium, qu’il s’agisse de CPU, GPU ou autres, ont tendance à consommer beaucoup d’énergie.
Cette énergie consommée est convertie en chaleur, qui doit être dissipée des serveurs de centres de données, sous peine d’endommager les composants électroniques.
Cela fait que l’alimentation en énergie et le refroidissement deviennent les principales limites pour les nouveaux centres de données IA, autant voire plus que le développement et l’approvisionnement en puces avancées.
Une façon de réduire la consommation énergétique du calcul est d’adopter la spintronique, qui utilise les spins des électrons pour effectuer des calculs. Il s’agit d’une technologie déjà utilisée pour les disques durs et le stockage de données, mais qui se rapproche rapidement d’une application commerciale dans le calcul également.
Une nouvelle avancée vers cet objectif a été réalisée par des chercheurs de l’Université du Delaware et de l’Université du Maryland. Ils ont découvert comment les ondes de spin peuvent être converties en courant électrique, ouvrant ainsi la voie à une compréhension plus approfondie des matériaux magnétiques.
Ils ont publié leurs résultats dans PNAS1, sous le titre « Magnon-induced electric polarization and magnon Nernst effects ».
Avantages de la spintronique et applications potentielles
Les composants électroniques, tels que les transistors, sont traditionnellement fabriqués à partir de silicium et reposent sur les semi-conducteurs. Les signaux 0 et 1 en binaire indiquent le passage ou le blocage d’un courant électrique.
Une façon alternative d’effectuer des calculs est d’utiliser des dispositifs spintroniques, qui fonctionnent grâce au spin des électrons (une caractéristique quantique fondamentale) plutôt qu’au courant électrique (le flux d’électrons).
Source: Insight IAS
Les données peuvent être encodées à la fois dans le moment angulaire de spin, qui peut être imaginé comme une orientation « haut » ou « bas » intégrée de l’électron, et le moment angulaire orbital, qui décrit comment les électrons se déplacent autour des noyaux atomiques.
Parce que cela contient plus d’informations que le simple 0 & 1, le spin peut contenir davantage de données par atome que l’électronique traditionnelle.
La spintronique présente quelques autres avantages par rapport aux systèmes électroniques classiques, notamment:
- Des données plus rapides, car le spin peut être modifié beaucoup plus rapidement.
- Consommation d’énergie moindre, car le spin peut être modifié avec moins de puissance que nécessaire pour maintenir un flux d’électrons créant un courant.
- Des métaux simples peuvent être utilisés à la place de matériaux semi-conducteurs complexes.
- Le spin est moins volatile que l’état semi-conducteur, rendant le stockage de données plus stable.
Glissez pour faire défiler →
| Fonctionnalité | Électronique traditionnelle | Spintronique |
|---|---|---|
| Support d’information | Courant électrique (0 ou 1) | Spin d’électron (haut/bas) |
| Efficacité énergétique | Forte demande en énergie | Consommation d’énergie moindre |
| Vitesse | Limité par le flux de courant | Commutation de spin plus rapide |
| Matériaux | Semi-conducteurs complexes | Métaux/oxydes simples |
| Stabilité des données | Stockage volatile | Stable, non volatile |
La spintronique est déjà utilisée pour les disques durs et a permis à la capacité de stockage de données de croître au cours de la dernière décennie.
“Le spin est une propriété quantique des électrons, qui ressemble à un petit aimant porté par les électrons, pointant vers le haut ou le bas.
Nous pouvons exploiter le spin des électrons pour transférer et traiter l’information dans les dispositifs dits spintroniques.
Talieh Ghiasi – Postdoc Researcher at Delft University of Technology
Contrôler les magnons pour la spintronique de prochaine génération
Magnons expliqués
Les chercheurs se sont concentrés sur les courants de spin, également appelés magnons, qui agissent comme une onde magnétique, déplaçant les spins des électrons sur leur trajectoire.
Source: Hubpage
Les magnons sont la composante clé des dispositifs spintroniques potentiels. En effet, comme les électrons restent stationnaires lorsque les magnons les traversent, il n’y a pas de chaleur à dissiper, ce qui constitue le principal facteur limitant des puces en silicium.
Dans cette étude, les chercheurs ont découvert que le transport des magnons peut induire une polarisation électrique mesurable. Ils ont utilisé un matériau structuré comme un nid d’abeille composé de nickel-phosphore-sélénium (NiPSe3).
Ils ont constaté que la polarisation électrique nette induite est environ 1 000 fois supérieure à celle des matériaux précédemment utilisés, comme le manganèse-phosphore-soufre (MnPS3).
Au‑delà des courants de spin
Auparavant, d’autres équipes de recherche ont découvert que les magnons peuvent être utilisés pour convertir la perte de spin en énergie, augmentant considérablement l’efficacité des systèmes spintroniques. D’autres progrès dans la spintronique chirale et réseaux d’ondes de spin évolutifs ont également apporté des ajouts prometteurs aux futurs ordinateurs basés sur la spintronique.
Cette étude va encore plus loin en prouvant que les magnons, malgré leur neutralité de charge, peuvent induire une polarisation électrique grâce à leurs moments de spin et orbitaux.
Le mécanisme fonctionne via le « effet Nernst », la création d’un champ électrique lorsqu’un matériau est soumis à la fois à un gradient de température et à un champ magnétique.
Plus important encore, ils ont également découvert que la polarisation électrique nette peut être contrôlée par des champs magnétiques externes (une méthode appelée hybridation des magnons).
Ces découvertes révèlent que les champs électriques pourraient être utilisés à la fois pour détecter et manipuler les magnons sous certaines conditions en exploitant leurs moments de spin et orbitaux.
Vers un modèle de calcul magnétique unifié
Cette découverte a été construite sur les travaux antérieurs de la même équipe qui visaient à créer une compréhension unifiée du spin, des magnons et des orbites des électrons.
Cette dernière découverte peut transformer les magnons, d’un phénomène intéressant sous‑jacent à la spintronique, en effets entièrement contrôlables, en utilisant des champs magnétiques.
Elle crée également un cadre théorique qui sera ultérieurement utile pour découvrir ou concevoir des matériaux avec des moments orbitaux magnoniques substantiels, rendant leurs propriétés magnétiques plus faciles à manipuler à volonté.
Ainsi, bien que les puces spintroniques ne soient pas encore prêtes à être intégrées de façon routinière dans les centres de données IA et les ordinateurs, elles progressent très rapidement vers une compréhension unifiée, tant au niveau théorique qu’au niveau de l’ingénierie pratique.
À leur tour, cela pourrait avoir d’importantes implications sur la façon dont nous construisons la prochaine génération d’ordinateurs classiques et quantiques.
En attendant, la spintronique est déjà utilisée par des entreprises pour fabriquer des électroniques de mémoire et des capteurs, et elle pourrait être déterminante pour créer des puces spintroniques plus avancées à l’avenir.
Investir dans la spintronique
1. Everspin Technologies
(MRAM )
Everspin est une branche de Freescale (désormais connue sous le nom de NXP (NXPI )) dédiée au développement de systèmes de mémoire MRAM. Elle a été scindée de Freescale et introduite en bourse en 2016.
Everspin est considéré comme le leader de la technologie MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory), héritant de l’expérience de Freescale en étant le premier à commercialiser une puce MRAM en 2006.
Comme la MRAM est une mémoire qui persiste même en l’absence de courant, elle est de plus en plus utilisée dans des cas d’utilisation sensibles où les données critiques sont trop importantes pour risquer une perte.
Propulsé par des applications omniprésentes telles que l’analyse de données, l’informatique en nuage, tant terrestre qu’extraterrestre, l’intelligence artificielle (IA) et l’Edge AI, y compris l’IoT industriel, le marché de la mémoire persistante devrait croître à un TCAC de 27,5 % entre 2020 et 2030
Source: Everspin
L’entreprise estime que le marché atteindra une taille de 7,4 milliards de dollars d’ici 2027. Elle n’a aucune dette et un flux de trésorerie disponible positif depuis 2021.
Les produits MRAM d’Everspin occupent actuellement une petite mais croissante niche, desservant des marchés où la fiabilité est cruciale, comme l’aérospatiale, les satellites, les enregistreurs de données, les dispositifs de surveillance des patients, etc.
Source: Everspin
