20% de l’électricité mondiale économisés grâce aux skyrmions ?

Les chercheurs de l’Agence pour la science, la technologie et la recherche (A*STAR) et de l’Université nationale de Singapour (NUS) ont développé un dispositif microélectronique innovant capable de fonctionner comme un « bit-switch » durable et performant. Cette avancée permettrait de concevoir de nouvelles technologies informatiques permettant de traiter les données plus rapidement tout en consommant nettement moins d’énergie.

Les technologies émergentes d’intelligence artificielle, telles que ChatGPT, nécessitent le traitement de grandes quantités de données à des vitesses fulgurantes, ce qui requiert une puissance de calcul considérable. Les technologies de l’information et de la communication consomment déjà près de 20% de l’électricité mondiale, un chiffre qui devrait augmenter avec la croissance de ces grands modèles d’IA.

Pour répondre à ces demandes en constante augmentation, le «switch» informatique fondamental, ou bit mémoire, a été réduit à des tailles de plus en plus petites, approchant ses limites physiques. Une approche prometteuse pour atténuer cette crise énergétique, en particulier dans les domaines de la mobilité, de la santé et de la fabrication, est l’informatique en périphérie.

Les skyrmions, clé de l’informatique du futur

Les skyrmions sont de minuscules tourbillons magnétiques – 10 000 fois plus petits que la largeur d’un cheveu humain – qui se forment dans des couches magnétiques spécifiques lorsqu’elles sont rendues extrêmement fines. Découverts il y a seulement une décennie, ces tourbillons peuvent être extrêmement stables et compacts, et peuvent être déplacés efficacement entre les régions magnétiques.

Ils constituent des interrupteurs mobiles idéaux pour un traitement efficace des données à grande échelle pour les technologies d’IA. Pour exploiter le vaste potentiel des skyrmions, il est essentiel d’y accéder via des voies électriques telles que celles utilisées dans les ordinateurs.

Une percée dans le contrôle électrique des skyrmions

L’équipe a réalisé une première en parvenant à une lecture électrique («identification») d’un skyrmion et à une commutation électrique entre états (par exemple, « 0 » à « 1 », et vice versa). Pour ce faire, ils ont utilisé un dispositif appelé jonction tunnel, opérationnel dans des conditions ambiantes et largement utilisé dans les applications commerciales de mémoire et de disque dur.

Ils ont découvert que les attributs spéciaux des skyrmions permettent la commutation entre états en utilisant 1 000 fois moins d’énergie que les dispositifs commerciaux. Ils ont également constaté que plus de deux états peuvent être obtenus dans un seul dispositif, ce qui évite la nécessité de réduire la taille du dispositif pour améliorer les performances.

Perspectives d’avenir

Selon le Dr Anjan Soumyanarayanan, responsable de l’équipe, scientifique principal à l’Institute of Materials Research and Engineering (IMRE) de l’A*STAR et professeur assistant au département de physique de la NUS Faculty of Science :

« Les skyrmions possèdent des attributs uniques et insaisissables qui peuvent être exploités pour mettre en œuvre diverses architectures d’IA avec une efficacité et une fonctionnalité sans précédent. Notre dispositif microélectronique fournit la clé tant attendue pour libérer leur vaste potentiel. Il contribuera à faire des skyrmions un élément intégral de l’informatique du futur. »

L’équipe espère qu’avec un perfectionnement supplémentaire des performances électriques, le commutateur informatique amélioré pourra être facilement intégré dans des microprocesseurs en utilisant des approches établies. Elle cherche à collaborer avec des entreprises de fabrication de semi-conducteurs et des intégrateurs de systèmes pour étendre la technologie à une adoption plus large.

Légende illustration : (À gauche) Représentation artistique du dispositif microélectronique skyrmionique. (À droite) Plaque de 200 mm contenant plus de 100 000 dispositifs microélectroniques skyrmioniques (Crédit : A*STAR et NUS)

Article : « All-electrical skyrmionic magnetic tunnel junction » – DOI: s41586-024-07131-7

[1] Les ordinateurs codent l’information en séquences de bits. Chaque bit représente soit 0, soit 1. La commutation de bits, qui consiste à faire passer un bit de 0 à 1 et vice versa, est une opération fondamentale pour l’informatique.
[2] Impact des technologies de l’information sur la consommation mondiale d’énergie (go-globe.com)
[3] Chiffre binaire : Unité de base des données en informatique numérique et en logique numérique, représentant un état qui peut être soit 0, soit 1. Tout comme un interrupteur, il peut avoir deux positions : marche ou arrêt. Dans le contexte de l’informatique, ces deux états se traduisent respectivement par 0 (« off ») et 1 (« on »).