« L’électron va tout droit » : un raccourci vers le calcul de l’IA découvert

Kim Seyoung | Postech

Alors que l’intelligence artificielle (IA) continue de progresser, des chercheurs de POSTECH (Pohang University of Science and Technology) ont identifié une avancée qui pourrait rendre les technologies de l’IA plus rapides et plus efficaces.

Le professeur Seyoung Kim et le docteur Hyunjeong Kwak des départements de science et d’ingénierie des matériaux et d’ingénierie des semi-conducteurs de POSTECH, en collaboration avec le docteur Oki Gunawan du centre de recherche IBM T.J. Watson, ont été les premiers à découvrir les mécanismes cachés de fonctionnement de la mémoire électrochimique à accès aléatoire (ECRAM ), une technologie prometteuse de la prochaine génération pour l’intelligence artificielle. Cette étude révolutionnaire a été publiée dans la prestigieuse revue internationale Nature Communications.

À mesure que les technologies de l’intelligence artificielle progressent, la demande de traitement des données augmente de manière exponentielle. Or, les systèmes informatiques actuels séparent le stockage des données (« mémoire ») du traitement des données (« processeurs »), ce qui entraîne une consommation importante de temps et d’énergie due aux transferts de données entre ces unités. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé le concept d’« informatique en mémoire ».

L’informatique en mémoire permet d’effectuer des calculs directement dans la mémoire, ce qui élimine les déplacements de données et permet d’effectuer des opérations plus rapides et plus efficaces. L’ECRAM est une technologie essentielle pour la mise en œuvre de ce concept. Les dispositifs ECRAM stockent et traitent les informations à l’aide de mouvements ioniques, ce qui permet un stockage continu des données de type analogique. Toutefois, la compréhension de leur structure complexe et des matériaux d’oxyde à haute résistivité est restée difficile, ce qui a considérablement entravé leur commercialisation.

Pour résoudre ce problème, l’équipe de recherche a mis au point un dispositif ECRAM structuré à plusieurs terminaux en utilisant de l’oxyde de tungstène et a appliqué le « système Hall à ligne dipolaire parallèle »), permettant d’observer la dynamique interne des électrons à partir de températures ultra-basses (-223°C, 50K) jusqu’à la température ambiante (300K). Ils ont observé, pour la première fois, que les lacunes d’oxygène à l’intérieur de l’ECRAM créent des états donneurs peu profonds (~0,1 eV), formant effectivement des « raccourcis » à travers lesquels les électrons se déplacent librement. Plutôt que d’augmenter simplement la quantité d’électrons, l’ECRAM crée intrinsèquement un environnement facilitant le transport des électrons. Ce mécanisme est resté stable même à des températures extrêmement basses, ce qui démontre la robustesse et la durabilité du dispositif ECRAM.

Seyoung Kim de POSTECH a souligné : « Cette recherche est importante car elle a permis de clarifier expérimentalement le mécanisme de commutation de l’ECRAM à différentes températures. La commercialisation de cette technologie pourrait permettre d’accélérer les performances de l’IA et de prolonger la durée de vie des batteries dans des appareils tels que les smartphones, les tablettes et les ordinateurs portables. »

Ce travail a été soutenu par K-CHIPS (Korea Collaborative & High-tech Initiative for Prospective Semiconductor Research) financé par le ministère coréen du commerce, de l’industrie et de l’énergie (MOTIE).

ECRAM (mémoire électrochimique à accès aléatoire) : Dispositif de mémoire électrochimique dont la conductivité du canal varie en fonction de la concentration d’ions dans le canal. Ce comportement permet d’exprimer des états de mémoire analogiques. Le dispositif présente une structure à trois bornes composée d’une source, d’un drain et d’une grille. En appliquant une tension à la grille, le mouvement des ions est contrôlé et la conductivité du canal est lue à travers la source et le drain.

Système de Hall à lignes dipolaires parallèles, système de Hall PDL : Système de mesure de Hall composé de deux aimants dipôles cylindriques. Lorsqu’un aimant est mis en rotation, l’autre tourne automatiquement, ce qui permet de générer un champ magnétique puissant et superposé. Cette configuration permet d’améliorer la sensibilité de l’observation des comportements internes des électrons.

Légende illustration : Représentation schématique de l’informatique en mémoire utilisant des dispositifs de mémoire électrochimique (ECRAM) disposés en réseau croisé, imitant la façon dont les synapses du cerveau traitent l’information. Lorsqu’une tension est appliquée au dispositif, les ions se déplacent dans le canal, ce qui permet de calculer et de stocker des données simultanément. Cette étude révèle comment les ions et les électrons se comportent sous l’effet d’une tension appliquée, dévoilant ainsi la dynamique opérationnelle interne du dispositif. Crédit Postech

Article : « Unveiling ECRAM switching mechanisms using variable temperature Hall measurements for accelerated AI computation » – DOI : 10.1038/s41467-025-58004-0