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La spintronique dans tous ses états.

Jean-Paul Baquiast - 14/01/2014

Comme aux premiers temps de l'informatique, les ordinateurs et toutes les machines numériques, tablettes, téléphones portables, etc , travaillent pour l'essentiel selon la logique de l'algèbre de Boole. Les chiffres binaires zéro et 1 y sont représentés par des transistors ou positions de mémoire (bits) qui prennent l'une ou l'autre valeur selon le courant électrique reçu.

Un intense travail de miniaturisation, accompli depuis le premier ordinateur scientifique, l'ENIAC Electronic Numerical Integrator Analyser and Computer (1943), jusqu'à l'un des premiers ordinateurs commerciaux, l'IBM 1401 (1959), et poursuivi ensuite, notamment avec l'IBM 360, avait permis de remplacer dans les unités centrales, c'est-à-dire dans le coeur des machines, les unités logiques initialement représentées par des tubes à vide ou lampes, par des transistors de taille de plus en plus réduite. Il en fut de même pour les mémoires internes, celles stockant par exemple les instruction des programmes installés dans l'ordinateur par l'utilisateur, ou les résultats temporaires des calculs effectués par l'unité centrale.

Les mémoires externes, dédiées à la mémorisation avant usage des données introduites par l'utilisateur ou la conservation pour diffusion des résultats définitifs des calculs, restaient essentiellement constituées de cartes perforées ou de bandes magnétiques. Mais là aussi l'encombrement avait considérablement diminué, tandis que la vitesse et la sécurité d'exploitation augmentaient.

La miniaturisation, la vitesse et la sécurité ont continué depuis à augmenter pendant un demi-siècle, sur un rythme quasi exponentiel. Aujourd'hui, le moindre téléphone portable est un million de fois plus rapide que l'ENIAC, et presque cent mille fois plus petit. Ses capacités de mémoire, qui d'externes sont devenues internes, sont dans les mêmes proportions. Mais on annonce régulièrement que ce mouvement ne pourra se poursuivre. La miniaturisation a un coût. Plus les composants sont petits, plus le courant électrique qu'ils utilisent doit perdre de l'intensité, afin de ne pas les griller. En contrepartie, ce courant devenu trop faible subit des fluctuations aléatoires de charge, pouvant diminuer la fiabilité des transistors chargés des calculs, ou des mémoires enregistrant les résultats de ceux-ci. Ceci au point que les transistors modernes peuvent enregistrer d'importantes variations de performance, générant des bugs.

De plus, la concentration des transistors, même de très petite taiile, dans un espace de plus en plus réduit, génère de la chaleur qu'il faut combattre. Les barrières à la miniaturisation semble atteintes. Autrement dit, la Loi de Moore cesse de s'appliquer, selon laquelle les capacités des composants électroniques croissent régulièrement d'une année à l'autre.

Il fallait trouver autre chose, à une très grande échelle. Dans l'immédiat, cependant, il n'est pas possible d'attendre des solutions miraculeuses venant d'autres catégories de calculateurs, tel l'ordinateur quantique ou le problématique ordinateur dit à ADN. Pourrait-on compter sur la dispersion et le travail en réseau des « puces » ou unités de calcul introduites dans les centaines ou milliers d'objets « intelligents », répandus dans l'espace sociale? Elles rempliraient des fonctions spécialisées qui déchargeraient d'autant la charge de travail des unités centrales intégratrices. Ceci n'est pas impossible, dans une certaine mesure. Il restera cependant que les calculs centralisés à grande vitesse demeureront indispensables, même dans l'existence quotidienne. Ainsi, en ce qui nous concerne, en tant qu'ordinateurs biologiques, si nous disposons de l'équivalent de petits ordinateurs dans chacun de nos organes corporels, nous avons toujours besoin d'un cerveau puissant et rapide pour intégrer leurs résultats et élaborer en réponse des comportements globaux.

La spintronique

C'est alors qu'est intervenue ce que l'on appelle généralement la spintronique. Cette nouvelle technique s'appuis sur les propriétés des particules quantiques dites spin. Elle est issue des travaux sur la magnétorésistance dite géante (GMR) menés à partir de la fin de la décennie 1980 et ayant conduit aux découvertes qui ont permis aux français Albert Fert de l'université Paris Sud et à l'allemand Peter Grünberg de Centre de Recherche Jülich d'obtenir le Prix Nobel 2007 (voir lien ci-dessous).

Comment définir la spintronique? Le spin est une propriété quantique d'une particule qui, d'une manière imagée est décrite comme tournant sur elle-même de même qu'une toupie. Dans le monde quantique, cette rotation ne produit pas un mouvement physique (moment cinétique) mais un mouvement magnétique. Une particule possédant un spin se comporte comme un minuscule aimant, dont les pôles peuvent basculer du haut (spin up) vers le bas (spin down) et réciproquement, lorsque l'on applique à l'électron un champ magnétique approprié, fut-il très faible.

Les dispositifs spintroniques exploitent cette propriété, qui permet de stocker de l’information : le support matériel, celui par exemple du disque dur d'un ordinateur, est divisé en zones microscopiques correspondant à autant de bits d’information. Un champ magnétique est appliqué bit par bit pour orienter les spins des électrons des atomes du support. Chaque zone correspondra alors à un bit de valeur zéro ou 1 selon l’orientation (haut ou bas) des spins dans cette zone.Un courant électrique traversant un matériau ferromagnétique va voir la proportion d'électrons spin down et spin up de celui-ci se modifier. On dit que ces électrons sont polarisés en spin. De ce fait, on arrive à inscrire une information dans le spin des électrons.

Un second matériau ferromagnétique traversé par ce courant polarisé en spin exercera une résistance différente selon la polarisation du courant et l'orientation de l'aimantation du matériau. Une mesure de la résistance électrique permettra de lire l'information représentée par le spin des électrons.

L'utilisation conjointe de matériaux aimantés et de l'électronique constitue la base des applications spintroniques. Le phénomène clé à maîtriser reste le contrôle précis de l'orientation de l'aimantation des matériaux ferromagnétiques. Or celui-ci était impossible à contrôler autrement que par l'application d'un champ magnétique, technologiquement difficile à intégrer dans la fabrication des circuits électroniques.

Or il a été découvert expérimentalement en 1999 qu'un courant constitué d'électrons polarisés en spin, c'est-à-dire doté d'une certaine orientation, up ou down, était capable d'agir sur l'orientation de l'aimantation d'un matériau ferromagnétique par le transfert de l'orientation des électrons constituant le courant sur les électrons responsables de l'aimantation dans le matériau ferromagnétique. L'information ainsi stockée est lue par les têtes de lecture, sans être détruite. La tête de lecture enregistrant des variations de résistance électrique en fonction de l'orientation des champs des particules survolées envoie à l'unité centrale des impulsions correspondants à des zéro ou des uns à partir desquelles peuvent être effectués des calculs en algèbre booléenne.

L'utilisation traditionnelle de l'état d'un électron dans un semi-conducteur est un système binaire, puisque cet état représente seulement 1 ou zéro. Dans ce cas, 8 bits peuvent représenter tous les nombres entiers entre zéro et 255, mais ceci pour un seul nombre à la fois, ce qui limite les capacités de calcul, Par contre, faire appel aux propriétés quantiques des particules, nommées de ce fait des qubits, permet d'exploiter les états spin up et spin down comme une superposition de zéro ou 1. Ainsi 8 qubits couplés possèdent la propriété de représenter tous les nombres entiers entre zéro et 255 de façon simultanée. Les capacités de calcul et de mémorisation sont considérablement augmentées - à condition il est vrai de disposer des logiciels nécessaires.

La spintronique et les mémoires

Cette propriété, que l'on cherche à exploiter à plus grande échelle dans les ordinateurs quantiques, permet d'ores et déjà d'accroitre considérablement les capacités de stockage et les temps de réponse des mémoires modernes. Aujourd'hui, en pratique, la spintronique est d'abord utilisée au niveau des des composants qui, tels jadis la bande magnétique, stockent les données nécessaires à tout calcul, sans cependant réaliser les opérations d'algèbre booléenne indispensables au calcul proprement dit ou aux raisonnements logiques qui s'accomplissent au coeur des calculateurs, quelle que soit leur taille.

Depuis une quinzaine d'années, des supermémoires ont été réalisées, permettant de conserver avec une grande fiabilité des quantités considérables d'information, puis de les restituer à l'utilisateur après tris, de façon à les rendre utilisables. Elles disposent de noms divers que nous ne mentionnerons pas ici. Il s'agit le plus souvent de mémoires dites flash.

La mémoire flash est une mémoire de masse à semi-conducteurs ré-inscriptible, c'est-à-dire une mémoire possédant les caractéristiques d'une mémoire système aussi appelée RAM de l'anglais Random Access Memory (ou mémoire à accès direct. Cette dernière a toujours été la mémoire informatique ou vive dans laquelle un ordinateur place les données lors de leur traitement et qui ne doivent pas disparaître lors d'une mise hors tension. Le prix de la RAM et son encombrement empéchaient de l'utiliser comme mémoire de masse dans les appareils destinés au grand public, telle une clef USB. La mémoire flash a permis de résoudre cette difficulté. Elle stocke les bits de données dans des cellules qui les conservent en mémoire lorsque l'alimentation électrique est coupée.

La vitesse élevée d'une mémoire flash, sa durée de vie et sa faible consommation, nulle au repos, la rendent indispensables pour de nombreuses applications : appareils photo numériques, téléphones cellulaires, imprimantes, assistants personnels (PDA), ordinateurs portables ou dispositifs de lecture et d'enregistrement sonore comme les baladeurs numériques, clés USB, etc. De plus, ce type de mémoire ne possède pas d'éléments mécaniques, ce qui lui confère une grande résistance aux chocs.

Or il faut bien voir que les mémoires de type flash n'auraient pu exister sans la spintronique. L'objectif des recherches sur la spintronique n'était pas initialement d'obtenir de nouveaux transistors pour les unités centrales de calcul, mais des mémoires capables de résister à la miniaturisation des disques durs. C'est alors qu'est intervenu la Magnéto-résistance géante (GMR) ou effet magnétorésistif géant, découverte par Albert Fert et Peter Grünberg mentionnée ci-dessus. Son utilisation dans les têtes de lecture des disques durs actuels est la première application de la spintronique.

Pourquoi parler de spintronique ? Qu'est-ce que le spin d'une particule en ce cas? Il s'agit d'un effet quantique observé dans les structures de films minces composées d'une alternance de couches ferromagnétiques et de couches non magnétiques. Il se manifeste sous forme d'une baisse significative de la résistance observée sous l'application d'un champ magnétique externe : à champ nul, les deux couches ferromagnétiques adjacentes ont une aimantation antiparallèle, car elles subissent un couplage ferromagnétique faible. Un champ magnétique externe induit un renversement d'aimantation: les aimantations respectives des deux couches s'alignent et la résistance de la multicouche décroît brutalement. L'effet se produit parce que le spin des électrons du métal non magnétique se répartit équitablement de façon parallèle et antiparallèle, et subit ainsi une diffusion magnétique moins importante lorsque les couches ferromagnétiques sont aimantées de façon parallèle.

L'une des premières applications de la GMR fut de réaliser un capteur de champ magnétique pouvant constituer un nouveau type de tête de lecture dans les disques durs d'ordinateurs. Le premier dispositif utilisant la magnétorésistance géante a été commercialisé par IBM en décembre 1997. Depuis 1999 environ, les recherches portent sur l'emploi de nanofils organisés en multicouches, mais également sur l'emploi de nombreux types de matériaux nanostructurés (agrégats, nanoparticules piégées dans des substrats diélectriques, etc.);

Le phénomène de magnétorésistance géante reste très utilisé dans les têtes de lecture GMR des disques durs modernes. Les mémoires magnétiques non volatiles (ou MRAM) en sont une autre application. Cette technologie est très prometteuse pour remplacer un certain nombre de disques durs sous la forme de SSD. Un SSD, pour solid-state drive est un matériel informatique permettant le stockage de données sur de la mémoire flash. La mémoire flash, comme indiqué plus haut, est une mémoire de masse à semi-conducteurs ré-inscriptible, c'est-à-dire une mémoire possédant les caractéristiques d'une mémoire vive mais dont les données ne disparaissent pas lors d'une mise hors tension.

Le terme anglais "solid-state" signifie que ce matériel est constitué de mémoires à semi-conducteurs à l'état solide par opposition aux disques durs classiques, sur lequel les données sont écrites sur un support magnétique en rotation rapide.Un SSD est matériellement plus solide qu'un disque dur, Cette spécificité lui permet une résistance aux chocs et aux vibrations bien plus importante que celle des disques mécaniques, ce qui est important pour tous les appareils portables. Les SSD surclassent les disques durs classiques au niveau de la performance (débit, latence , consommation). Néanmoins, le rapport prix-espace de stockage reste encore largement à l'avantage du disque mécanique en 2014.

La spintronique et les processeurs de l'unité centrale

Tout ce que nous venons de décrire concerne, d'une façon générale, les mémoires et la capacité d'y accéder, avec plus ou moins de vitesse et de facilité. Mais aujourd'hui, les chercheurs en spintronique s'attaquent aux processeurs qui constituent le cœur de toutes les machines, quelles que soient leurs tailles. Ceux-ci sont constitués aujourd'hui de centaines de millions de transistors dont l'état, 1 ou zéro, bascule en fonction des courants qui leur sont appliqués. Ces changements d'état permettent d'établir des portes logiques, chacune d'elles étant dédiée à une seule opération. Ainsi une porte NAND (Negated AND or NOT AND) produit un zéro si les deux entrées dans la porte sont 1 . Si l'une des entrées est zéro, le produit est 1. Et réciproquement.

Dans l'électronique traditionnelle, la plupart des fonctions booléennes peuvent être accomplies par de telles portes, qui sont constituées de combinaisons de transistors. L'écriture-lecture d'un simple e-mail et a fortiori d'un article comme celui que vous lisez ici, entraîne la mise en jeu de millions de portes, en fonction de l'importance du programme utilisé. Ceci exige l'accumulation de centaines de millions de portes qui encombrent l'unité de traitement pour des résultats pouvant être très banaux – sans mentionner la consommation de courant et la déperdition de chaleur en résultant. La diminution de taille des matériels, fussent-il portables, se heurte par ailleurs de plus en plus, selon les fonctions exigées, à des limites dont la plupart paraissent atteintes aujourd'hui. Il était donc tentant de faire appel au spin des électrons, plutôt qu'à des courants électriques. Leur état, 1 ou zéro, une fois établi demeure établi, et n'a pas besoin d'être entretenu. D'où des économies de courant et de dispositifs de réfroidissement.

C'est ce qu'a permis la spintronique. Différents chercheurs ont démontré à partir de 2007 la fiabilité du « spin processing » à partir d'un « spin transistor » . Ce premier dispositif améliore le fonctionnement du transistor classique en faisant appel au spin, tel que décrit dans la première partie de cet article. Mais il était inévitable de chercher à faire beaucoup mieux. Aujourd'hui, une véritable électronique à base de spin-transistors est en cours de développement. On parle de Spin-Transistor Electronics. Elle repose sur des composants utilisant deux courants spin-polarisés en entrée, et deux contacts magnétiques dont les spins peuvent être changés à la demande . Il en résulte une porte dont le fonctionnement logique devient modifiable "à la volée". On emploie parfois le terme de flexi-logique.
Au lieu de disposer de matériels dont le type de chacune des portes logiques est fixé irrévocablement à la construction, des portes qui peuvent se recâbler elles-mêmes offre l'équivalent d'un costume dont les dimensions peuvent être modifiées à la demande et très rapidement en fonction des exigences du client.

Malgré ces avantages, il ne faut pas espérer que les composants et processeurs traditionnels seront rapidement abandonnés. Le coût de nouvelles fonderies, devant maîtriser une physique encore mal connue et difficile à implémenter, ralentira le mouvement. La "vieille" électronique survivra tant que ses limites physiques et économiques ne seront pas atteintes, au regard des besoins nouveaux qui se manifesteront. Les experts prévoient en général une décennie avant que la spintronique, déjà très installée nous l'avons vu dans le domaine des mémoires, ne transforme le coeur des processeurs.

La spintronique et la simulation des circuits cérébraux

De nouveaux besoins pourront cependant se faire sentir rapidement, qui élargiront d'une façon quasi exponentielle les perspectives de la spintronique. Il s'agira de simuler le fonctionnement des échanges interneuronaux et des opérations logiques accomplies par le cerveau. Celui-ci, comme nul n'en ignore, ne travaille pas sur le mode séquentiel, mais de façon massivement parallèle. De plus les neurones ne s'excitent que si les signaux que chacun d'eux reçoit dépassent un certain seuil.

Très récemment, le fabricant de puces Qualcomm, installé à San Diego, a annoncé qu'il comptait fabriquer et vendre prochainement des puces neuromorphiques qui regroupées en circuits complexes, pourraient offrir les mêmes performances que les neurones biologiques.

Mais la physicienne française Julie Grollier de l'unité mixte de physique CNRS/Thales (voir liens ci-dessous) rappelle qu'il faut des dizaines de transistors pour représenter un seul neurone et de nouvelles dizaines pour une seule synapse. L'équipe qu'elle dirige, assistée d'Albert Fert, propose une approche différente. Il s'agit de ce qu'elle a nommé un spin memristor, visant à tirer un meilleur parti des propriétés quantiques du spin. C'est une porte dont les sorties peuvent être définies par un courant prenant toutes les valeurs possibles, entre le zéro et le un. Les spécialistes se référeront à un article de l'équipe lequel vient de paraître dans Nature Physics "Vertical-current-induced domain-wall motion in MgO-based magnetic tunnel junctions with low current densities" http://www.nature.com/nphys/journal/v7/n8/full/nphys1968.html

Selon Julie Grollier, un seul spin memristor pourrait fonctionner comme une synapse, offrant une résistance programmable simulant la force des connexions interneuronales. Les neurones eux-mêmes pourraient être simulés par d'autres types de spin memristors dont les couches magnétiques plus épaisses demanderaient un certain seuil dans le courant de spin pour basculer d'un état à l'autre.

Il est trop tôt pour l'affirmer, mais on peut penser que ces travaux tout récents, où la France répétons-le tient une part importante, devraient apporter des éléments très efficaces dans la construction de cerveaux artificiels qui se poursuit par ailleurs.


Avec l'ensemble des perspectives évoquées dans cet article, l'avenir de la spintronique parait assuré. Les jeunes ingénieurs-chercheurs, s'ils ne le sont pas encore, devraient en être persuadés. L'ingénierie financière, qui a mobilisé ces dernières années beaucoup de matière grise, devrait par comparaison reprendre une place plus modeste.

Pour en savoir plus
* Sur l'ensemble du sujet, lire NewScientist, 11 janvier 2014: "Spin revolution" par Jon Cartwright
* Spintronique : http://fr.wikipedia.org/wiki/Spintronique
* Magnétorésistance géante : http://fr.wikipedia.org/wiki/Magn%C3%A9tor%C3%A9sistance_g%C3%A9ante
* Spin transistor http://en.wikipedia.org/wiki/Spin_transistor
* Spin transistor electronics : http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=5628288&url
=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org
%2Fiel5%2F5%2F5628287%2F05628288.pdf%3Farnumber%3D5628288

*Julie Grollier http://www.trt.thalesgroup.com/ump-cnrs-thales/phonebook/grollier.htm
* Unité Mixte de Physique CNRS/Thales UMR 137 :
http://www.trt.thalesgroup.com/ump-cnrs-thales/
Par ailleurs
* Sur Albert Fert et Peter Grünberg, Prix Nobel de Physique 2007, ainsi que sur l' itinéraire de découverte de la GMR jusqu'à la spintronique, voir http://www.trt.thalesgroup.com/ump-cnrs-thales/nobel/nobelprize_physics_2007.pdf

Note
On considère généralement, y compris au niveau des pouvoirs publcs, qu'il n'y a pas de place pour la France dans ce secteur très évolutif. En témoigne l'indifférence qui a suivi le rachat par la concurrence étrangère du leader des Cartes à puces, Gemplus, comme celle qui se manifeste face à la disparition probable de LFoundry.Rousset, détentrice pourtant de perspectives intéressantes. Ce n'est évidemment pas le cas. On l'a vu ici en ce qui concerne la recherche. Mais il existe des potentiels industriels non négligeables, non seulement dans les entreprises travaillant pour l'espace et la défense, mais dans les secteurs plus concurrentiels. Voir par exemple l'entreprise Crocus.Technology (http://www.minatec-entreprises.fr/Crocus-Technology).