Nous vivons à une époque où les données sont omniprésentes. Les centres de données ou data-centers qui sont exploités pour stocker et traiter ce flot d’informations consomment beaucoup d’électricité, soit une source majeure de pollution environnementale.
Pour surmonter cette situation, des systèmes informatiques polygonaux à faible consommation d’énergie et à vitesse de calcul élevée sont en cours de recherche, mais ils ne sont pas en mesure de répondre à la demande énorme de traitement des données car ils fonctionnent avec des signaux électriques, tout comme les systèmes informatiques binaires conventionnels.
Une nouvelle approche pour le traitement des données
Le Institut coréen des sciences et technologies (KIST), dirigé par le président Seok Jin Yoon, a annoncé que le Dr Do Kyung Hwang du Centre des matériaux et dispositifs opto-électroniques et le professeur Jong-Soo Lee du Département des sciences et de l’ingénierie de l’énergie à l’Institut des sciences et technologies de Daegu Gyeongbuk (DGIST, président Young Kuk) ont conjointement développé un nouveau matériau de jonction artificielle semi-conducteur bidimensionnel et zéro-dimensionnel (2D-0D) et ont observé l’effet d’une mémoire de nouvelle génération alimentée par la lumière.
La transmission de données entre les parties de calcul et de stockage d’un ordinateur multi-niveaux à l’aide de la lumière plutôt que de signaux électriques peut augmenter considérablement la vitesse de traitement.
L’équipe de recherche a fabriqué un nouveau matériau de jonction artificielle semi-conducteur 2D-0D en joignant des points quantiques dans une structure coeur-coquille avec du sulfure de zinc (ZnS) sur la surface du sélénide de cadmium (CdSe) et un semi-conducteur de sulfure de molybdène (MoS2).
Des avancées significatives
Le nouveau matériau permet le stockage et la manipulation des états électroniques à l’intérieur des points quantiques mesurant 10 nm ou moins. Lorsque la lumière est appliquée au noyau de sélénide de cadmium, un certain nombre d’électrons s’écoulent hors du semi-conducteur de sulfure de molybdène, piégeant des trous dans le noyau et le rendant conducteur.
L’état électronique à l’intérieur du sélénide de cadmium est également quantifié. Des impulsions lumineuses intermittentes piègent les électrons dans la bande électronique l’un après l’autre, induisant un changement de la résistance du sulfure de molybdène par l’effet de champ, et la résistance change de manière échelonnée en fonction du nombre d’impulsions lumineuses.
Ce processus permet de diviser et de maintenir plus de 0 et 10 états, contrairement à la mémoire conventionnelle qui n’a que des états 0 et 1. La coquille de sulfure de zinc empêche également la fuite de charge entre les points quantiques voisins, permettant à chaque point quantique unique de fonctionner comme une mémoire.
En synthèse
Alors que les points quantiques dans les structures de jonction artificielle semi-conducteur 2D-0D conventionnelles amplifient simplement les signaux des capteurs de lumière, la structure de points quantiques de l’équipe imite parfaitement la structure de mémoire à grille flottante, confirmant son potentiel d’utilisation comme mémoire optique de nouvelle génération.
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Les chercheurs ont vérifié l’efficacité du phénomène de mémoire polynomiale avec une modélisation de réseau neuronal utilisant l’ensemble de données CIFAR-10 et ont obtenu un taux de reconnaissance de 91%.
Le Dr Hwang du KIST a commenté pour sa part : « Le nouveau dispositif de mémoire optique multi-niveaux contribuera à accélérer l’industrialisation des technologies de système de nouvelle génération telles que les systèmes d’intelligence artificielle, qui ont été difficiles à commercialiser en raison de limitations techniques découlant de la miniaturisation et de l’intégration des dispositifs semi-conducteurs en silicium existants. »
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que le nouveau matériau de jonction artificielle semi-conducteur 2D-0D ?
C’est un matériau développé par l’équipe de recherche du KIST et du DGIST, qui a la capacité de stocker et de manipuler des états électroniques à l’intérieur de points quantiques mesurant 10 nm ou moins. Il est fabriqué en joignant des points quantiques dans une structure coeur-coquille avec du sulfure de zinc (ZnS) sur la surface du sélénide de cadmium (CdSe) et un semi-conducteur de sulfure de molybdène (MoS2).
Comment fonctionne ce nouveau matériau ?
Lorsque la lumière est appliquée au noyau de sélénide de cadmium, un certain nombre d’électrons s’écoulent hors du semi-conducteur de sulfure de molybdène, piégeant des trous dans le noyau et le rendant conducteur. Des impulsions lumineuses intermittentes piègent les électrons dans la bande électronique l’un après l’autre, induisant un changement de la résistance du sulfure de molybdène par l’effet de champ, et la résistance change de manière échelonnée en fonction du nombre d’impulsions lumineuses.
Quelle est la différence entre cette mémoire et la mémoire conventionnelle ?
Contrairement à la mémoire conventionnelle qui n’a que des états 0 et 1, ce processus permet de diviser et de maintenir plus de 0 et 10 états. La coquille de sulfure de zinc empêche également la fuite de charge entre les points quantiques voisins, permettant à chaque point quantique unique de fonctionner comme une mémoire.
Quel est le potentiel de ce nouveau matériau ?
La structure de points quantiques de l’équipe imite parfaitement la structure de mémoire à grille flottante, confirmant son potentiel d’utilisation comme mémoire optique de nouvelle génération. Les chercheurs ont vérifié l’efficacité du phénomène de mémoire polynomiale avec une modélisation de réseau neuronal utilisant l’ensemble de données CIFAR-10 et ont obtenu un taux de reconnaissance de 91%.
Quelles sont les implications de cette découverte ?
Le nouveau dispositif de mémoire optique multi-niveaux contribuera à accélérer l’industrialisation des technologies de système de nouvelle génération telles que les systèmes d’intelligence artificielle, qui ont été difficiles à commercialiser en raison de limitations techniques découlant de la miniaturisation et de l’intégration des dispositifs semi-conducteurs en silicium existants.
Source : Institut coréen des sciences et technologies (KIST), Institut des sciences et technologies de Daegu Gyeongbuk (DGIST) – https://doi.org/10.1002/adma.202303664
