Un nouveau transistor pourrait réduire de 5% le budget mondial de l’énergie numérique

Une nouvelle version de l’une des inventions les plus petites mais les plus grandioses du XXe siècle, le transistor, pourrait contribuer à alimenter l’appétit toujours croissant du monde pour la mémoire numérique, tout en réduisant jusqu’à 5 % la consommation d’énergie.

Après des années d’innovations de Christian Binek, de l’université du Nebraska-Lincoln, et de Jonathan Bird et Keke He, de l’université de Buffalo, les physiciens ont récemment fait équipe pour fabriquer le premier transistor magnéto-électrique.

Selon Peter Dowben, physicien du Nebraska, la conception de l’équipe pourrait non seulement réduire la consommation d’énergie de toute microélectronique qui l’incorpore, mais aussi le nombre de transistors nécessaires au stockage de certaines données, jusqu’à 75 %, ce qui permettrait de fabriquer des appareils plus petits. Elle pourrait également conférer à ces microélectroniques une mémoire de type « piège d’acier » qui se souviendrait exactement de l’endroit où l’utilisateur s’est arrêté, même après un arrêt ou une brusque coupure de courant.

« Les implications de cette démonstration récente sont profondes« , a déclaré M. Dowben, qui a coécrit un article récent sur ces travaux qui a fait la couverture de la revue Advanced Materials.

Plusieurs millions de transistors tapissent la surface de chaque circuit intégré moderne, ou micropuce, qui est lui-même fabriqué en nombre stupéfiant – environ 1 000 milliards rien qu’en 2020 – à partir du matériau semi-conducteur préféré de l’industrie, le silicium. En régulant le flux de courant électrique à l’intérieur d’une micropuce, le minuscule transistor agit comme un interrupteur nanoscopique essentiel à l’écriture, à la lecture et au stockage des données (les 1 et les 0 de la technologie numérique).

Mais les micropuces à base de silicium approchent de leurs limites pratiques, a ajouté M. Dowben. Ces limites poussent l’industrie des semi-conducteurs à étudier et à financer toutes les alternatives prometteuses qu’elle peut.

« Le circuit intégré traditionnel est confronté à de graves problèmes« , a encore commenté M. Dowben, titulaire de la chaire Charles Bessey de physique et d’astronomie au Nebraska. « Il y a une limite à la réduction de sa taille. Nous en sommes au point où nous parlons d’une largeur de 25 atomes de silicium ou moins. Et comme chaque dispositif d’un (circuit intégré) génère de la chaleur, on ne peut plus évacuer suffisamment de chaleur pour que tout fonctionne.« 

Cette situation difficile se profile alors même que la demande de mémoire numérique, et l’énergie nécessaire pour la satisfaire, ont explosé avec l’adoption généralisée des ordinateurs, des serveurs et de l’internet. Les téléviseurs, les véhicules et d’autres technologies équipés de puces électroniques n’ont fait qu’accroître cette demande.

« Nous arrivons à un point où nous allons approcher la consommation d’énergie précédente des États-Unis pour la mémoire (uniquement)« , a détaillé M. Dowben. « Et ça ne s’arrête pas. Il faut donc quelque chose que l’on puisse réduire, si possible. Mais surtout, vous avez besoin de quelque chose qui fonctionne différemment d’un transistor en silicium, de sorte que vous puissiez réduire la consommation d’énergie, beaucoup.« 

« Maintenant que ça marche, le plaisir commence »

Les transistors typiques à base de silicium sont constitués de plusieurs bornes. Deux d’entre elles, appelées source et drain, servent de points de départ et d’arrivée aux électrons qui circulent dans un circuit. Au-dessus de ce canal se trouve une autre borne, la grille.

L’application d’une tension entre la grille et la source peut déterminer si le courant électrique circule avec une résistance faible ou élevée, entraînant une accumulation ou une absence de charges électroniques qui sont codées respectivement sous la forme d’un 1 ou d’un 0. Mais la mémoire vive – la forme sur laquelle reposent la plupart des applications informatiques – nécessite une alimentation constante en énergie, rien que pour maintenir ces états binaires.

Plutôt que de se baser sur la charge électrique, l’équipe s’est donc tournée vers le spin : une propriété des électrons liée au magnétisme, qui pointe vers le haut ou vers le bas et peut être lue, comme la charge électrique, comme un 1 ou un 0. L’équipe savait que les électrons circulant à travers le graphène, un matériau ultra-robuste d’un seul atome d’épaisseur, peuvent conserver leurs orientations de spin initiales sur des distances relativement longues – une propriété intéressante pour démontrer le potentiel d’un transistor basé sur la spintronique. Contrôler l’orientation de ces spins, en utilisant beaucoup moins d’énergie qu’un transistor classique, était une perspective beaucoup plus difficile.

Pour y parvenir, les chercheurs devaient recouvrir le graphène d’un matériau approprié. Heureusement, Binek avait déjà consacré des années à l’étude et à la modification d’un tel matériau, l’oxyde de chrome. L’oxyde de chrome est magnétoélectrique, ce qui signifie que les spins des atomes à sa surface peuvent être inversés de haut en bas, ou vice versa, en appliquant une faible tension temporaire et énergivore.

Lorsqu’on applique une tension positive, les spins de l’oxyde de chrome sous-jacent pointent vers le haut, forçant finalement l’orientation du spin du courant électrique du graphène à dévier vers la gauche et à produire un signal détectable dans le processus. Une tension négative renverse au contraire les spins de l’oxyde de chrome vers le bas, l’orientation du spin du courant du graphène basculant vers la droite et générant un signal clairement distinct de l’autre.

« Maintenant, vous commencez à obtenir une très bonne fidélité (dans le signal), car si vous êtes assis d’un côté du dispositif, et que vous avez appliqué une tension, alors le courant va dans ce sens. Vous pouvez dire que c’est ‘allumé’« , a déclaré M. Dowben. « Mais s’il dit au courant d’aller dans l’autre sens, c’est clairement ‘off’.

« Cela vous donne potentiellement une grande fidélité pour un coût énergétique très faible. Il suffit d’appliquer une tension, et ça bascule. »

Aussi prometteuse et fonctionnelle que soit la démonstration de l’équipe, M. Dowben a déclaré qu’il existe de nombreuses alternatives au graphène qui partagent son épaisseur d’un atome mais qui présentent également des propriétés mieux adaptées à un transistor magnéto-électrique. La course à la superposition de l’oxyde de chrome avec ces autres candidats 2D est déjà lancée, dit-il, et marque « non pas le quelque chose, mais le début de quelque chose« .

« Maintenant que cela fonctionne, le plaisir commence, parce que tout le monde va avoir son propre matériau 2D préféré, et ils vont l’essayer« , a déclaré Dowben. « Certains d’entre eux fonctionneront beaucoup, beaucoup mieux, et d’autres non. Mais maintenant que vous savez que ça marche, ça vaut la peine d’investir dans ces autres matériaux plus sophistiqués qui pourraient le faire.« 

« Maintenant, tout le monde peut entrer dans le jeu, en trouvant comment rendre le transistor vraiment bon et compétitif et, en fait, dépasser le silicium. »

Arriver à ce point a été un long voyage pavé d' »un nombre énorme d’avancées« , a déclaré M. Dowben, notamment grâce au duo formé par M. Binek et M. Bird.

« Ce type de projet démontre l’impact et l’efficacité de la recherche collaborative« , a ajouté M. Bird, « en combinant, comme il le fait, l’expertise renommée du Nebraska en matière de matériaux magnétiques avec les capacités de Buffalo en matière de dispositifs semi-conducteurs à l’échelle nanométrique.« 

M. Dowben a relaté quelques-unes des avancées essentielles de l’équipe. Il y a eu la prise de conscience que les matériaux magnéto-électriques pourraient s’avérer une approche réalisable. L’identification de l’oxyde de chrome. La modification de ce matériau, à la fois pour contrôler son spin à l’aide d’une tension au lieu d’un magnétisme consommateur d’énergie, mais aussi pour s’assurer qu’il fonctionnerait bien au-dessus de la température ambiante – car, comme l’a dit M. Dowben, « si l’on veut concurrencer l’industrie des semi-conducteurs, il ne suffit pas de travailler au Nebraska en hiver. Il faut qu’il fonctionne en Arabie Saoudite en été« . Puis il y a eu les simulations informatiques étayées par la théorie et les multiples prototypes de premier stade.

« Il n’y a pas eu de moment Edisonien ici. Vous savez en quelque sorte où vous allez, mais cela prend du temps« , a déclaré M. Dowben. « Il y a beaucoup de problèmes techniques à résoudre. C’est un travail de longue haleine, et ce n’est pas beau à voir. Mais parfois, les résultats sont absolument spectaculaires, et c’est amusant.« 

Credit : Advanced Materials / John Wiley & Sons, Inc.

Légende : Un rendu à l’échelle nanométrique de deux matériaux, le graphène (gris) et l’oxyde de chrome (bleu), qui, ensemble, ont permis à des chercheurs du Nebraska et de Buffalo de fabriquer un nouveau type de transistor. Les flèches rouges et vertes représentent le spin, une propriété des électrons liée au magnétisme qui peut être lue comme un 1 ou un 0.