Informatique
Spintronique : Le futur de l’informatique à haute efficacité énergétique
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Comment la spintronique pourrait révolutionner l’informatique
Progressivement, le monde du matériel informatique commence à envisager des alternatives aux puces en silicium, voire aux formes classiques de calcul binaire. Cela s’explique par le fait que les puces et la mémoire habituelles de nos ordinateurs et centres de données deviennent de plus en plus difficiles à fabriquer, la dernière génération ayant des transistors de seulement quelques nanomètres en taille.
Un autre facteur est que la consommation d’énergie devient un problème à mesure que la demande de puissance de calcul, notamment pour les systèmes d’IA, continue de croître.
De nombreuses solutions sont proposées, le calcul quantique et la photonique étant les options les plus en vue pour réduire la demande de calcul ou le rendre plus rapide et moins énergivore.
Une autre est la spintronique, qui exploite le spin des électrons, une caractéristique quantique, au lieu du courant électrique (le flux d’électrons).
Les scientifiques travaillent à rendre la spintronique si efficace qu’elle pourrait remplacer une partie importante de nos besoins en calcul.
Un article scientifique récent rédigé par des chercheurs du Korea Institute of Science and Technology (KIST), de l’Université nationale de Séoul, de l’Université nationale de Kunsan (Corée), de l’Université Yonsei et de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (Allemagne) a découvert que la perte de spin peut être reconvertie en magnétisation, rendant l’électronique spintronique encore plus économe en énergie.
Ils ont publié leurs résultats dans Nature Communications1, sous le titre « Magnetization switching driven by magnonic spin dissipation ».
Une autre découverte récente menée par des chercheurs de l’Académie chinoise des sciences, du Laboratoire national de rayonnement synchrotron (Chine), de l’Université ShanghaiTech et de l’Université Beihang portait sur l’utilisation des imperfections dans les matériaux spintroniques pour rendre l’électronique plus rapide, plus intelligente et plus efficace.
Ils ont publié leurs résultats dans Nature Materials2, sous le titre « Unconventional scaling of the orbital Hall effect ».
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, que l’on peut imaginer comme une orientation « haut » ou « bas » intégrée de l’électron, et dans le moment angulaire orbital, qui décrit la façon dont les électrons se déplacent autour des noyaux atomiques.
Parce que cela contient plus d’informations que le simple 0 & 1, le spin peut stocker 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 très rapidement.
- Une consommation d’énergie moindre, car le spin peut être modifié avec moins de puissance que celle nécessaire pour maintenir un flux d’électrons afin de créer un courant.
- Des métaux simples peuvent être utilisés à la place de matériaux semi-conducteurs complexes.
- Le spin est moins volatile que l’état des semi-conducteurs, rendant le stockage des données plus stable.
Glissez pour faire défiler →
| Fonctionnalité | Électronique traditionnelle | Spintronique |
|---|---|---|
| Support d’information | Courant électrique (0 ou 1) | Spin de l’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, comparable à un minuscule 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 – Chercheur postdoctoral à l’Université technologique de Delft
Surmonter les défis matériels en spintronique
Malgré ces avantages, la spintronique n’a pas encore trouvé d’adhésion commerciale. Cela est en partie dû au rôle des défauts matériels. Introduire des imperfections dans un matériau peut parfois faciliter l’écriture des données dans les bits de mémoire en réduisant le courant nécessaire.
Cependant, ces défauts augmentent également la résistance électrique et réduisent la conductivité Hall du spin, rendant l’utilisation du spin pour encoder les données nettement plus difficile.
Une solution pourrait consister à utiliser le ruthénate de strontium (SrRuO3), un oxyde de métal de transition dont les propriétés peuvent être finement ajustées.
Une ingénierie minutieuse des défauts dans le matériau à l’aide de dispositifs conçus sur mesure et de techniques de mesure de précision modifie la façon dont les spins y réagissent.
« Les processus de diffusion qui dégradent généralement les performances prolongent en réalité la durée de vie du moment angulaire orbital, améliorant ainsi le courant orbital. »
C’est radicalement différent des systèmes conventionnels basés sur le spin. Dans ces expériences, une modulation de conductivité sur mesure a permis d’obtenir une amélioration de 3 fois de l’efficacité énergétique de commutation.
« Ce travail réécrit essentiellement le manuel de conception de ces dispositifs. Au lieu de combattre les imperfections matérielles, nous pouvons désormais les exploiter. »
Informatique à haute efficacité énergétique avec la spintronique
Magnétisme et spin
Étant donné que le spin est une caractéristique des particules électroniques, il n’est peut-être pas surprenant que les chercheurs découvrent de nouvelles connexions entre le spin et la magnétisation des matériaux électroniques.
Les chercheurs coréens étudiaient cette connexion. Traditionnellement, changer la magnétisation d’un composant électronique entre 1 et 0 nécessite de forts courants pour inverser la direction de la magnétisation. Ce processus entraîne une perte de spin, considérée comme une source majeure de gaspillage d’énergie et de faible efficacité.
Au lieu d’essayer d’atténuer cette perte et de réduire la dissipation du spin, ils cherchent à l’utiliser en combinant un métal ferromagnétique unique avec un isolant antiferromagnétique.
Source: Nature Materials
Source: Nature Materials
Courants de spin
Les chercheurs se sont concentrés sur les courants de spin, également appelés magnons.
Source: Hubpage
Ils ont découvert que l’efficacité de conversion spin‑vers‑magnon était la plus élevée lorsque l’axe facile magnéto‑cristallin (n) était le plus proche de la polarisation du spin (μ).
En pratique, cela signifie que la perte de spin a été utilisée pour fournir l’énergie nécessaire à induire un changement de l’état magnétique du matériau.
Source: Nature Materials
Scalable avec les techniques actuelles
Cette méthode adopte une structure de dispositif simple compatible avec les processus de fabrication de semi-conducteurs existants.
« Jusqu’à présent, le domaine de la spintronique s’est concentré uniquement sur la réduction des pertes de spin, mais nous avons présenté une nouvelle direction en utilisant les pertes comme énergie pour induire le basculement de la magnétisation,
Cela le rend très viable pour la production de masse, et c’est également avantageux pour la miniaturisation et la haute intégration, ce qui peut ralentir considérablement l’adoption de conceptions nouvelles et plus radicales en électronique.
Par conséquent, cette découverte pourrait rapidement trouver des applications dans la mémoire et le calcul des semi-conducteurs IA, la mémoire ultra‑basse consommation, le calcul neuromorphique et les dispositifs de calcul probabilistes.
Alors que ces domaines sont déjà en plein essor, cela pourrait offrir à cette technologie une vaste fenêtre d’opportunité.
« Nous prévoyons de développer activement des dispositifs semi‑conducteurs IA ultra‑petits et à faible consommation, car ils peuvent servir de base aux technologies de calcul ultra‑basse consommation essentielles à l’ère de l’IA.
Conclusion
La spintronique était jusqu’à présent limitée à la technologie des disques durs, mais elle évolue rapidement grâce à une meilleure compréhension de la manière de manipuler et d’utiliser les spins des électrons.
Cela devrait créer un nouveau type d’électronique, pas nécessairement plus puissante, comme c’est le cas avec les puces nouvelles et plus petites, mais plus économe en énergie et encore plus facile à fabriquer, deux points importants alors que la consommation d’énergie devient de plus en plus un goulot d’étranglement dans le déploiement des centres de données IA et du calcul en périphérie (comme pour les voitures autonomes ou la robotique).
Entreprises de spintronique
1. Everspin Technologies
MRAM Graphique du prix
Everspin est une branche de Freescale (désormais connue sous le nom de NXP, symbole boursier NXPI) dédiée au développement de systèmes de mémoire MRAM. Elle a été scindée et introduite en bourse en 2016.
Everspin est considérée 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 IA, 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
La croissance des ensembles de puces, de l’IA et des systèmes synaptiques pourrait également constituer un stimulant à long terme pour l’entreprise.
2. NVE Corporation
NVEC Graphique du prix
Un autre leader de la spintronique, NVE travaille sur cette technologie depuis son premier brevet en technologie MRAM en 1995. Elle produit des capteurs spintroniques et des isolateurs, principalement utilisés dans les systèmes de mesure et de capteurs pour les voitures, les engrenages, les dispositifs médicaux, les alimentations électriques et d’autres appareils industriels.
Source: NVE
Cela place NVE dans une catégorie quelque peu différente de celle d’Everspin, NVE étant davantage une entreprise industrielle avec une forte position sur un marché de niche (magnétomètre utilisant la spintronique), tandis qu’Everspin est davantage une société de mémoire/ informatique travaillant avec et en concurrence avec des acteurs tels qu’Intel (INTC ), Qualcomm (QCOM ), Toshiba et Samsung, qui développent également leur propre produit MRAM.
Cela peut rendre l’action plus (ou moins) attrayante selon le profil des investisseurs, l’action NVE étant plus susceptible de séduire les investisseurs conservateurs recherchant un rendement de dividende et la sécurité.
Études référencées
1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. Unconventional scaling of the orbital Hall effect. Nature Materials. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. Magnetization switching driven by magnonic spin dissipation. Nature Communications 16, 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w
