La mémoire des ordinateurs pourrait un jour résister aux températures élevées des réacteurs à fusion, des moteurs à réaction, des puits géothermiques et des planètes étouffantes grâce à un nouveau dispositif de mémoire à semi-conducteurs mis au point par une équipe d’ingénieurs dirigée par l’université du Michigan.
Contrairement aux mémoires classiques à base de silicium, le nouveau dispositif peut stocker et réécrire des informations à des températures supérieures à 600 °C, soit plus chaudes que la surface de Vénus et que la température de fusion du plomb. Il a été mis au point en collaboration avec des chercheurs du Sandia National Laboratory.
« Il pourrait permettre de créer des dispositifs électroniques qui n’existaient pas auparavant pour les applications à haute température », a indiqué Yiyang Li, professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux à l’U-M et principal auteur correspondant de l’étude publiée dans Device, une revue de Cell Press.
« Jusqu’à présent, nous avons construit un dispositif qui contient un bit, ce qui est comparable à d’autres démonstrations de mémoire informatique à haute température. Avec davantage de développement et d’investissement, il pourrait en théorie contenir des mégaoctets ou des gigaoctets de données ».
Il y a toutefois une contrepartie pour les dispositifs qui ne sont pas exposés en permanence à des températures extrêmes : de nouvelles informations ne peuvent être écrites sur le dispositif qu’à une température supérieure à 250 °C (500 °F). Les chercheurs suggèrent néanmoins qu’un dispositif de chauffage pourrait résoudre le problème pour les appareils qui doivent également fonctionner à des températures plus basses.
La mémoire tolérante à la chaleur provient du déplacement d’atomes d’oxygène chargés négativement plutôt que d’électrons. Lorsqu’ils sont chauffés à plus de 150 °C, les semi-conducteurs classiques à base de silicium commencent à conduire des niveaux de courant incontrôlables. L’électronique étant fabriquée avec précision pour des niveaux de courant spécifiques, les températures élevées peuvent effacer les informations de la mémoire d’un appareil. Mais les ions d’oxygène à l’intérieur du dispositif des chercheurs ne sont pas gênés par la chaleur.
Ils se déplacent entre deux couches de la mémoire – l’oxyde de tantale semi-conducteur et le métal tantale – à travers un électrolyte solide qui agit comme une barrière en empêchant d’autres charges de se déplacer entre les couches. Les ions d’oxygène sont guidés par une série de trois électrodes de platine qui contrôlent si l’oxygène est attiré dans l’oxyde de tantale ou repoussé hors de celui-ci. L’ensemble du processus est similaire à la façon dont une batterie se charge et se décharge ; cependant, au lieu de stocker de l’énergie, ce processus électrochimique est utilisé pour stocker des informations.
Une fois que les atomes d’oxygène ont quitté la couche d’oxyde de tantale, une petite zone de tantale métallique reste en place. Dans le même temps, une couche d’oxyde de tantale vient coiffer la couche métallique de tantale de l’autre côté de la barrière. Les couches de tantale et d’oxyde de tantale ne se mélangent pas, comme l’huile et l’eau, de sorte que ces nouvelles couches ne reviendront pas à leur état d’origine tant que la tension ne sera pas modifiée.
Selon la teneur en oxygène de l’oxyde de tantale, celui-ci peut agir comme un isolant ou un conducteur, ce qui permet au matériau de passer d’un état de tension à l’autre, représentant les 0 et les 1 numériques. Un contrôle plus fin du gradient d’oxygène pourrait permettre de calculer à l’intérieur de la mémoire, avec plus de 100 états de résistance au lieu d’un simple état binaire. Cette approche pourrait contribuer à réduire la demande d’énergie.
« L’utilisation de l’IA pour améliorer la surveillance dans ces conditions extrêmes suscite beaucoup d’intérêt, mais elle nécessite des processeurs puissants qui consomment beaucoup d’énergie, et beaucoup de ces conditions extrêmes ont également des budgets énergétiques stricts », a ajouté Alec Talin, scientifique principal au département de chimie, de combustion et de science des matériaux des Sandia National Laboratories et coauteur de l’étude.
« Les puces de calcul en mémoire pourraient aider à traiter certaines de ces données avant qu’elles n’atteignent les puces d’intelligence artificielle et réduire la consommation d’énergie globale de l’appareil. »
Les états d’information peuvent être stockés à plus de 1100 °F (600°C) pendant plus de 24 heures. Si ce niveau de tolérance à la chaleur est comparable à celui d’autres matériaux développés pour la mémoire réinscriptible à haute température, le nouveau dispositif présente d’autres avantages. Il peut fonctionner à des tensions plus basses que certaines des principales alternatives, à savoir la mémoire ferroélectrique et les nanogaps d’électrodes en platine polycristallin, et peut fournir davantage d’états analogiques pour l’informatique en mémoire.
Légende illustration : Les dispositifs de mémoire fabriqués à l’aide d’oxyde de tantale sur cette puce peuvent stocker des données à la fois pour la mémoire conventionnelle et l’informatique en mémoire à des températures supérieures à 1000°F. Crédit photo : Brenda Ahearn, Michigan Engineering
Article : « Nonvolatile electrochemical memory at 600 ºC enabled by composition phase separation » – DOI: 10.1016/j.device.2024.100623
La recherche est financée par la National Science Foundation, le programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire Sandia et le collège d’ingénierie de l’université du Michigan. Le dispositif a été construit dans le Lurie Nanofabrication Facility et étudié au Michigan Center for Materials Characterization.
