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Dr Babak Bakhit, Université de Cambridge

Dr Babak Bakhit, Université de Cambridge (Crédit : Babak Bakhit)

Un matériau pour puces informatiques pourrait réduire considérablement la consommation d’énergie de l’IA

par La rédaction
27 mars 2026
en Intelligence artificielle, Technologie

Des chercheurs ont développé un nouveau type de nano-dispositif électronique qui pourrait réduire de façon spectaculaire l’énergie consommée par le matériel d’intelligence artificielle en imitant le cerveau humain.

Les chercheurs, dirigés par l’Université de Cambridge, ont mis au point une forme d’oxyde d’hafnium qui agit comme un mémristor hautement stable et à faible consommation d’énergie — un composant conçu pour imiter la manière efficace dont les neurones sont connectés dans le cerveau. Les résultats sont publiés dans la revue Science Advances.

Les systèmes d’IA actuels reposent sur des puces informatiques classiques qui font circuler les données entre les unités de mémoire et de traitement. Ce mouvement constant consomme de grandes quantités d’électricité, et la demande mondiale explose à mesure que l’adoption de l’IA se répand dans tous les secteurs.

L’informatique neuromorphique, inspirée du cerveau, est une autre façon de traiter l’information qui pourrait réduire la consommation d’énergie jusqu’à 70 % en stockant et en traitant l’information au même endroit, et ce avec une puissance extrêmement faible. Un tel système serait également bien plus adaptable, de la même manière que notre propre cerveau est capable d’apprendre et de s’adapter.

La consommation d’énergie est l’un des principaux défis du matériel d’IA actuel, explique le premier auteur, le Dr Babak Bakhit, du Département de science et de métallurgie des matériaux de Cambridge. Pour y répondre, il faut des dispositifs avec des courants extrêmement faibles, une excellente stabilité, une uniformité remarquable entre les cycles de commutation et les dispositifs, et la capacité de basculer entre de nombreux états distincts.

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La plupart des mémristors existants reposent sur la formation de filaments conducteurs minuscules à l’intérieur d’un matériau en oxyde métallique. Mais ces filaments se comportent de manière imprévisible et nécessitent généralement des tensions de formation et de fonctionnement élevées, ce qui limite leur utilité dans les systèmes de stockage et de calcul à grande échelle.

L’équipe de Cambridge a plutôt créé un nouveau type de film mince à base d’hafnium qui change d’état d’une manière totalement différente. En ajoutant du strontium et du titane et en faisant croître le film par une méthode en deux étapes, les chercheurs ont pu former de minuscules portes électroniques, ou « jonctions p-n », à l’intérieur de l’oxyde où les couches se rencontrent. Cela permet au dispositif de modifier sa résistance de manière fluide en déplaçant la hauteur d’une barrière d’énergie à l’interface, plutôt qu’en faisant croître ou rompre les filaments.

Bakhit, également affilié au Département d’ingénierie de Cambridge, affirme que ce mécanisme surmonte l’un des plus grands défis du développement de la technologie des mémristors. Les dispositifs filamentaires souffrent d’un comportement aléatoire, souligne-t-il. Mais parce que nos dispositifs commutent à l’interface, ils présentent une uniformité remarquable d’un cycle à l’autre et d’un dispositif à l’autre.

En utilisant les dispositifs à base d’hafnium, les chercheurs ont obtenu des courants de commutation environ un million de fois inférieurs à ceux de certains dispositifs conventionnels à base d’oxyde. Les mémristors ont également produit des centaines de niveaux de conductance distincts et stables, une exigence clé pour le calcul analogique « en mémoire ».

Les tests en laboratoire ont montré que les dispositifs pouvaient supporter de manière fiable des dizaines de milliers de cycles de commutation et stocker leurs états programmés pendant environ une journée. Ils ont également reproduit des règles d’apprentissage fondamentales observées en biologie, telles que la plasticité dépendante du temps de décharge : le mécanisme par lequel les neurones renforcent ou affaiblissent leurs connexions en fonction du moment où les signaux arrivent.

Ce sont les propriétés dont vous avez besoin si vous voulez un matériel capable d’apprendre et de s’adapter, et pas seulement de stocker des bits, déclare Bakhit.

Cependant, il reste encore quelques défis à relever. Le procédé de fabrication actuel nécessite des températures d’environ 700°C — supérieures aux tolérances de fabrication standard des semi-conducteurs. C’est actuellement le principal défi de notre procédé de fabrication de dispositifs, explique Bakhit. Mais nous travaillons maintenant sur des moyens de réduire la température pour la rendre plus compatible avec les procédés industriels standard.

Malgré cela, il pense que la technologie pourrait finalement être intégrée dans des systèmes à l’échelle de la puce. Si nous pouvons réduire la température et placer ces dispositifs sur une puce, ce serait un grand pas en avant, affirme-t-il.

Bakhit, un physicien des matériaux, révèle que cette percée a suivi plusieurs années d’expériences infructueuses. Le tournant est survenu fin de l’année dernière lorsqu’il a essayé une variante de la méthode de dépôt en deux étapes, en ajoutant de l’oxygène uniquement après la croissance de la première couche.

J’ai passé presque trois ans là-dessus, confie-t-il. Il y a eu un très grand nombre d’échecs. Mais fin novembre, nous avons vu les premiers résultats vraiment bons. Nous n’en sommes qu’aux débuts, bien sûr, mais si nous pouvons résoudre le problème de la température, cette technologie pourrait tout changer car la consommation d’énergie est tellement plus faible et, en même temps, les performances du dispositif sont très prometteuses.

Article : HfO2-based Memristive Synapses with Asymmetrically Extended p-n Heterointerfaces for Highly Energy-efficient Neuromorphic Hardware – Journal : Science Advances – DOI : Lien vers l’étude

Source : Cambridge U.

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Tags: cerveauénergieiapuce
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Commentaires 1

  1. FOUCONNIER Yannick says:
    il y a 5 mois

    L’efficience de l’IA ne depend pas que du materiau, mais de la logique de calcul.
    ​Cet article souligne avec raison l’urgence de reduire la consommation electrique de l’IA. Cependant, l’innovation sur les materiaux doit s’accompagner d’une refonte de l’architecture logique pour etre pleinement efficace.
    ​Le protocole ICN 1.0418, base sur une architecture MSO (Matrice Structurelle Optimale) en Base 4 Native, propose une approche complementaire et radicale. En neutralisant la « Dette-E » (friction informationnelle) directement a la source, ce cadre permet :
    ​Une reduction massive de la charge : Passage de 25 MW a 5 MW par cycle de calcul (80% d’economie).
    ​Une stabilisation « Grade Platine » : Une structure logique a 2.77 A qui offre une saturation optimale (Sp approx 84), indispensable pour les futurs composants a haute densite.
    ​Un gain de temps industriel : Reduction des temps de simulation de 8 jours a 8 heures en supprimant le bruit logique binaire.
    ​Ce projet est porte en Open Source (CC-BY 4.0) et archive via CERN/Zenodo pour offrir une base de calcul durable et souveraine a la communaute scientifique mondiale. L’avenir de l’IA sera frugal ou ne sera pas.
    ​Yannick Fouconnier
    Architecte MSO | Base 4 Native | Protocole ICN 1.0418
    https://doi.org/10.5281/zenodo.19385044

    Répondre

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Researchers have developed a new kind of nanoelectronic device that could dramatically cut the energy consumed by artificial intelligence hardware by mimicking the human brain.

The researchers, led by the University of Cambridge, developed a form of hafnium oxide that acts as a highly stable, low‑energy ‘memristor’ — a component designed to mimic the efficient way neurons are connected in the brain. The results are reported in the journal Science Advances.

Current AI systems rely on conventional computer chips that shuttle data back and forth between memory and processing units. This constant movement consumes large amounts of electricity, and global demand is exploding as AI adoption expands across industries.

Brain-inspired, or neuromorphic, computing is an alternative way to process information that could reduce energy use by as much as 70% by storing and processing information in the same place, and doing so with extremely low power. Such a system would also be far more adaptable, in the same way our own brains are able to learn and adapt.

“Energy consumption is one of the key challenges in current AI hardware,” said lead author Dr Babak Bakhit, from Cambridge’s Department of Materials Science and Metallurgy. “To address that, you need devices with extremely low currents, excellent stability, outstanding uniformity across switching cycles and devices, and the ability to switch between many distinct states.”

Most existing memristors rely on the formation of tiny conductive filaments inside metal oxide material. But these filaments behave unpredictably and typically require high forming and operating voltages, limiting their usefulness in large-scale data storage and computing systems.

The Cambridge team instead created a new type of hafnium-based thin film that switches states in a completely different way. By adding strontium and titanium and growing the film using a two‑step method, the researchers were able to form tiny electronic gates, or ‘p-n junctions’, inside the oxide where the layers meet. This allows the device to change its resistance smoothly by shifting the height of an energy barrier at the interface, rather than by growing or rupturing the filaments.

Bakhit, who is also affiliated with Cambridge’s Department of Engineeirng, said this mechanism overcomes one of the biggest challenges in developing memristor technology. “Filamentary devices suffer from random behaviour,” he said. “But because our devices switch at the interface, they show outstanding uniformity from cycle to cycle and from device to device.”

Using the hafnium-based devices, the researchers achieved switching currents about a million times lower than those of some conventional oxide-based devices. The memristors also produced hundreds of distinct, stable conductance levels, a key requirement for analogue ‘in-memory’ computing.

Laboratory tests showed the devices could reliably endure tens of thousands of switching cycles and store their programmed states for around a day. They also reproduced fundamental learning rules observed in biology, such as spike-timing dependent plasticity: the mechanism by which neurons strengthen or weaken their connections depending on when signals arrive.

“These are the properties you need if you want hardware that can learn and adapt, rather than just store bits,” said Bakhit.

However, there are still some challenges to overcome. The current fabrication process requires temperatures of around 700°C — higher than standard semiconductor manufacturing tolerances. “This is currently the main challenge in our device fabrication process,” said Bakhit. “But we’re now working on ways to bring the temperature down to make it more compatible with standard industry processes.”

Despite this, he believes the technology could ultimately be integrated into chip-scale systems. “If we can reduce the temperature and put these devices onto a chip, it would be a major step forward,” he said.

Bakhit, a materials physicist, said the breakthrough followed several years of unsuccessful experiments. The turning point came late last year when he tried a twist on the two‑stage deposition method, adding oxygen only after the first layer had been grown.

“I spent almost three years on this,” he said. “There were a huge number of failures. But at the end of November, we saw the first really good results. It’s still early days of course, but if we can solve the temperature issue, this technology could be game-changing because the energy consumption is so much lower and at the same time, the device performance is highly promising.”

The research was supported in part by the Swedish Research Council (VR), the Royal Academy of Engineering, the Royal Society, and UK Research and Innovation (UKRI). A patent application has been filed by Cambridge Enterprise, the University’s innovation arm.

Journal

Science Advances

DOI

10.1126/sciadv.aec2324

Article Title

HfO2-based Memristive Synapses with Asymmetrically Extended p-n Heterointerfaces for Highly Energy-efficient Neuromorphic Hardware

Article Publication Date

20-Mar-2026

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