Donner du sens à la science

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De l’atome au matériau, la chimie donne matière(s) à penser. Qu'ils touchent aux nanomédicaments, aux téléphones mobiles, aux véhicules à hydrogène ou à l’utilisation de la biomasse, des chimistes explorent de nouvelles pistes en tenant compte des enjeux environnementaux et sociétaux. Lancé à l'occasion de l'année de la chimie, ce blog est une invitation à découvrir leurs travaux et leurs réflexions.
 

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IA et mémoires : la chimie pour aller au-delà de la loi de Moore ?
13.11.2018, par Laurent Cario, chimiste de l'Institut des matériaux Jean Rouxel (1)
Pour contourner les limites attendues de la miniaturisation en microélectronique, différentes stratégies sont explorées... dont certaines font appel à la chimie à travers la quête de nouveaux matériaux. Les avancées dans ce domaine pourraient bien profiter aux mémoires puis à l’intelligence artificielle, comme l’explique le chimiste Laurent Cario.

Les microprocesseurs que nous utilisons actuellement sont basés sur la technologie dite CMOS (« Complementary Metal Oxyde Semiconductor ») qui emploie des métaux comme le cuivre, des oxydes comme la silice et des semi-conducteurs comme le silicium. Jusqu’à présent, le développement de la microélectronique est resté essentiellement basé sur la miniaturisation des composants, tel que le transistor, qui sont réalisés à partir de ces seuls matériaux. Cette miniaturisation, qui a permis l’augmentation de la puissance des microprocesseurs de nos ordinateurs, est connue sous le nom de « loi de Moore », du nom de l’un des fondateurs de la compagnie Intel. Gordon Moore fut en effet le premier à prédire que le nombre de transistors contenus dans les microprocesseurs doublerait environ tous les deux ans. Mais plusieurs études prédisent la fin imminente de la loi de Moore puisque les transistors atteignent aujourd’hui leur limite physique de miniaturisation.
 
Les stratégies mises en place pour pallier ce problème, connues sous le nom de « more than Moore », consistent à changer d’architecture et à rechercher de nouveaux matériaux plus performants. Ici la chimie est à l’œuvre pour reproduire, avec des matériaux uniques et miniaturisables, les fonctionnalités complexes des dispositifs microélectroniques. Ainsi deux domaines de la microélectronique, celui des mémoires et celui de l’intelligence artificielle, pourraient faire rapidement appel à de nouveaux matériaux.
 

Vue artistique de la transition de Mott électrique. Elle montre comment un filament métallique va se créer sous l’action d’une impulsion électrique. Ce filament est responsable de la "transition résistive" dans les isolants de Mott.
Vue artistique de la transition de Mott électrique. Elle montre comment un filament métallique va se créer sous l’action d’une impulsion électrique. Ce filament est responsable de la "transition résistive" dans les isolants de Mott.

La technologie mémoire la plus répandue aujourd’hui pour le stockage de masse est la technologie Flash basée sur l’utilisation de transistors à double grille qui ont déjà atteint leur limite de miniaturisation. Pour les remplacer, les acteurs du domaine (INTEL, MICRON, Samsung, STMicroélectronique …) se tournent vers de nouveaux matériaux possédant des propriétés physiques permettant le codage de l’information sous forme binaire. Certaines mémoires émergentes utilisent de nouveaux matériaux dits ferroélectriques ou ferromagnétiques codant l’information grâce au retournement de l’orientation de la polarisation électrique ou de l’aimantation. D’autres mémoires émergentes utilisent des composés capables de commuter entre deux états de résistance. C’est le cas par exemple des composés à changement de phase déjà utilisés dans les disques laser réinscriptibles et présentant une phase amorphe isolante et une phase cristalline métallique. C’est aussi le cas pour certains matériaux oxydes dans lesquels le changement de résistance provient de la migration de l’oxygène sous l’action du champ électrique. Enfin, c’est le cas des isolants de Mott que nous étudions au sein de mon équipe à l’IMN. Ces matériaux présentent un phénomène de claquage sous champ électrique montrant des analogies avec l’apparition d’un éclair lors d’un orage et qui peut provoquer la commutation entre deux états de résistance. Il est encore difficile aujourd’hui de prédire lesquelles de ces mémoires émergentes s’imposeront, mais selon certaines études, ces nouveaux matériaux pourraient être introduits dans des dispositifs grand public dès 2019.

Par ailleurs, l’intelligence artificielle fait de plus en plus appel à de nouvelles architectures d’ordinateur plus efficaces pour le traitement de certaines tâches liées au traitement du big data. C’est le cas par exemple des tâches de classification ou de reconnaissance. L’architecture alternative actuellement la plus utilisée s’inspire directement de celle du cerveau des mammifères et vise à reproduire un réseau interconnecté de synapses et de neurones. Là encore, de nouveaux matériaux aux propriétés non conventionnelles sont recherchés pour réaliser des neurones et des synapses artificiels miniaturisables. Cette recherche bio-inspirée bat actuellement son plein. Il a déjà été montré que de morceaux nanométriques d’oxydes appelés Memristors peuvent mimer le comportement des synapses alors que des couches minces d’isolants de Mott peuvent reproduire les fonctionnalités majeures des neurones.

Ainsi, après bien des années où la chimie des matériaux n’a eu qu’un faible impact sur le développement de la microélectronique, elle pourrait rapidement s’imposer comme un point clef de l’électronique de demain.

(1) Laboratoire CNRS/ Univ. de Nantes

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