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Spintronique : l'avenir de l'informatique économe en énergie
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Comment la spintronique pourrait révolutionner l'informatique
Progressivement, le monde de l'informatique matérielle commence à s'étendre au-delà des puces de silicium, voire des formes classiques de calcul binaire. En effet, les puces et la mémoire habituelles de nos ordinateurs et centres de données deviennent de plus en plus difficiles à construire, la dernière génération étant équipée de transistors mesurant à peine quelques nanomètres.
Un autre facteur est que la consommation d’énergie devient un problème à mesure que la demande de puissance de calcul, en particulier pour les systèmes d’IA, continue de croître.
De nombreuses solutions sont proposées, l’informatique quantique et la photonique étant les options les plus importantes pour réduire la demande de calcul ou le rendre plus rapide et moins énergivore.
Une autre méthode est la spintronique, qui utilise le spin des électrons, une caractéristique quantique, au lieu du courant électrique (le flux d’électrons).
Les scientifiques travaillent à rendre la spintronique si efficace qu’elle pourrait remplacer une partie importante de nos besoins informatiques.
Une étude scientifique récente menée par des chercheurs de l'Institut coréen des sciences et technologies (KIST), de l'Université nationale de Séoul, de l'Université nationale de Kunsan (Corée), de l'Université Yonsei et de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (Allemagne) a révélé que la perte de spin peut être reconvertie en magnétisation, rendant l'électronique spintronique encore plus économe en énergie.
Ils ont publié leurs résultats dans Nature Communications1, sous le titre "Commutation de magnétisation entraînée par la dissipation de spin magnonique ».
Une autre découverte récente réalisée par des chercheurs de l'Académie chinoise des sciences, du Laboratoire national de rayonnement synchrotron (Chine), de l'Université ShanghaiTech et de l'Université Beihang a été de savoir comment utiliser les imperfections des matériaux spintron pour rendre l'électronique plus rapide, plus intelligente et plus efficace.
Ils ont publié leurs résultats dans Nature Materials2, sous le titre "Mise à l'échelle non conventionnelle de l'effet Hall orbital ».
Avantages et applications potentielles de la spintronique
Les composants électroniques, tels que les transistors, sont traditionnellement fabriqués en silicium et utilisent des semi-conducteurs. Les signaux 0 et 1 en binaire indiquent le passage ou le blocage d'un courant électrique.
Une autre façon d’effectuer des calculs est d’utiliser des dispositifs spintroniques, qui fonctionnent grâce au spin des électrons (une caractéristique quantique fondamentale) plutôt qu’au courant électrique (le flux d’électrons).
Source: Insight IAS
Les données peuvent être codées à la fois dans le moment angulaire de spin, qui peut être imaginé comme une orientation intégrée « vers le haut » ou « vers le bas » de l'électron, et dans le moment angulaire orbital, qui décrit la façon dont les électrons se déplacent autour des noyaux atomiques.
Parce qu'il contient plus d'informations que 0 et 1, le spin peut contenir plus de données par atome que l'électronique traditionnelle.
La spintronique en a quelques-unes d’autres avantages par rapport aux systèmes électroniques classiques, notamment :
- Données plus rapides, car la rotation peut être modifiée beaucoup plus rapidement.
- Moins de consommation d'énergie, car le spin peut être modifié avec moins de puissance qu'il n'en faut pour maintenir un flux d'électrons afin de créer un courant.
- Des métaux simples peuvent être utilisés à la place de matériaux semi-conducteurs complexes.
- Le spin est moins volatil que l'état du semi-conducteur, ce qui rend le stockage des données plus stable.
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| Caractéristique | Électronique traditionnelle | La spintronique |
|---|---|---|
| Support d'information | Courant électrique (0 ou 1) | Spin de l'électron (haut/bas) |
| L'efficacité énergétique | Forte demande de puissance | Consommation d'énergie réduite |
| Speed | Limité par le flux de courant | Changement de rotation plus rapide |
| Matériel Requis | Semi-conducteurs complexes | Métaux/oxydes simples |
| Stabilité des données | Stockage volatil | Stable, non volatil |
La spintronique est déjà utilisée pour les disques durs et a permis d’augmenter la capacité de stockage des données au cours de la dernière décennie.
« Le spin est une propriété mécanique quantique des électrons, qui ressemble à un minuscule aimant porté par les électrons, pointant vers le haut ou vers le bas.
Nous pouvons exploiter le spin des électrons pour transférer et traiter des informations dans des dispositifs dits spintroniques.
Talieh Ghiasi - Chercheur postdoctoral à l'Université de technologie de Delft
Surmonter les défis matériels en spintronique
Malgré ces avantages, la spintronique n'a pas encore trouvé d'écho commercial. Cela est dû en partie au rôle des défauts des matériaux. L'introduction d'imperfections dans un matériau peut parfois faciliter l'écriture de données dans les bits de mémoire en réduisant le courant nécessaire.
Cependant, ces défauts augmentent également la résistance électrique et réduisent la conductivité de l'effet Hall de spin, ce qui rend l'utilisation du spin pour coder les données beaucoup plus difficile.
Une solution pourrait être d’utiliser du ruthénate de strontium (SrRuO3), un oxyde de métal de transition dont les propriétés peuvent être finement ajustées.
Une ingénierie minutieuse des défauts du matériau à l’aide de dispositifs conçus sur mesure et de techniques de mesure de précision modifie la façon dont les spins réagissent à ces défauts.
« Les processus de diffusion qui dégradent généralement les performances prolongent en réalité la durée de vie du moment angulaire orbital, améliorant ainsi le courant orbital. »
Ceci est radicalement différent des systèmes conventionnels basés sur le spin. Dans ces expériences, une modulation de conductivité sur mesure a permis de tripler l'efficacité énergétique de commutation.
« Ces travaux réinventent fondamentalement les règles de conception de ces appareils. Au lieu de lutter contre les imperfections matérielles, nous pouvons désormais les exploiter. »
Calcul économe en énergie avec spintronique
Magnétisme et spin
Le spin étant une caractéristique des particules électroniques, il n’est peut-être pas surprenant que les chercheurs découvrent de nouvelles connexions entre le spin et la magnétisation des matériaux électroniques.
Les chercheurs coréens étudiaient ce lien. Traditionnellement, la commutation de l'aimantation d'un composant électronique entre 1 et 0 nécessite des courants importants pour inverser le sens de l'aimantation. Ce processus entraîne une perte de spin, considérée comme une source majeure de gaspillage d'énergie et de faible rendement.
Au lieu d’essayer d’atténuer cette perte et de réduire la dissipation de spin, ils cherchent à l’utiliser en combinant un seul métal ferromagnétique avec un isolant antiferromagnétique.
Source: Nature Materials
Source: Nature Materials
Courants de spin
Les chercheurs se sont concentrés sur les courants de spin, également appelés magnons.
Source: Hubpage
Ils ont découvert que l'efficacité de conversion spin-magnon était la plus élevée lorsque l'axe facile magnétocristallin (n) était le plus proche de la polarisation de spin (μ).
En pratique, cela signifie que la perte de spin a été utilisée pour fournir l’énergie nécessaire pour induire un changement dans l’état magnétique du matériau.
Source: Nature Materials
Évolutif grâce aux techniques actuelles
Cette méthode adopte une structure de dispositif simple qui est compatible avec les processus de fabrication de semi-conducteurs existants.
« Jusqu'à présent, le domaine de la spintronique s'est concentré uniquement sur la réduction des pertes de spin, mais nous avons présenté une nouvelle direction en utilisant les pertes comme énergie pour induire une commutation de magnétisation. »
Cela le rend hautement faisable pour la production de masse, et il est également avantageux pour la miniaturisation et la haute intégration, ce qui peut ralentir considérablement l'adoption de nouvelles conceptions plus radicales en électronique.
Par conséquent, cette découverte pourrait voir des applications rapides dans la mémoire et le calcul des semi-conducteurs d’IA, la mémoire à très faible consommation d’énergie, le calcul neuromorphique et les dispositifs informatiques basés sur les probabilités.
Ces domaines étant déjà en plein essor, cela pourrait offrir à cette technologie une immense fenêtre d’opportunité.
« Nous prévoyons de développer activement des dispositifs semi-conducteurs IA ultra-petits et à faible consommation, car ils peuvent servir de base aux technologies informatiques à très faible consommation qui sont essentielles à l'ère de l'IA. »
Conclusion
La spintronique était jusqu'à présent limitée à la technologie des disques durs, mais elle évolue rapidement grâce à une meilleure compréhension de la manière de manipuler et d'utiliser les spins des électrons.
Cela devrait créer un nouveau type d'électronique, pas tellement plus puissant, comme c'est le cas avec les puces nouvelles et plus petites, mais plus économe en énergie et encore plus facile à fabriquer, deux points importants car la consommation d'énergie devient de plus en plus un point d'étranglement dans le déploiement des centres de données d'IA et de l'informatique de pointe (comme pour les voitures autonomes ou la robotique).
Entreprises de spintronique
1. Technologies Everspin
(MRAM )
Everspin est une branche de Freescale (aujourd'hui connue sous le nom de NXP, symbole boursier NXPI) dédiée au développement de systèmes de mémoire MRAM. Elle a été scindée et introduite en bourse en 2016.
Everspin est considéré comme le leader de la technologie MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory), héritant de l'expérience de Freescale en matière de le premier à commercialiser une puce MRAM en 2006.
Parce que la MRAM est une mémoire qui persiste même en l’absence de courant, elle est de plus en plus utilisée dans les cas d’utilisation sensibles où les données critiques sont trop importantes pour risquer d’être perdues.
Porté par des applications omniprésentes telles que l'analyse de données, le cloud computing, terrestre et extraterrestre, l'intelligence artificielle (IA) et l'IA Edge, y compris l'IoT industriel, le marché de la mémoire persistante devrait croître à un TCAC de 27.5 % entre 2020 et 2030.
Source: Everspin
L'entreprise estime que le marché atteindra une taille de 7.4 milliards de dollars d'ici 2027. L'entreprise n'a aucune dette et un flux de trésorerie disponible positif depuis 2021.
Les produits MRAM Everspin occupent actuellement une niche petite mais en pleine croissance, servant des marchés où la fiabilité est cruciale, comme l'aérospatiale, les satellites, les enregistreurs de données, les appareils de surveillance des patients, etc.
Source: Everspin
La croissance des chipsets, de l’IA et des systèmes synaptiques pourrait également constituer un atout à long terme pour l’entreprise.
2. Société NVE
(NVEC )
Autre leader de la spintronique, NVE travaille sur cette technologie depuis son premier brevet en technologie MRAM en 1995. Il produit de la spintronique capteur et isolateurs, principalement utilisé dans les systèmes de mesure et de capteurs pour les voitures, les engrenages, les appareils médicaux, les alimentations électriques et autres appareils industriels.
Source: NVE
Cela place NVE dans une catégorie quelque peu différente d'Everspin, NVE étant davantage une entreprise industrielle avec une position forte sur un marché de niche (magnétomètre utilisant la spintronique), tandis qu'Everspin est davantage une entreprise de mémoire/informatique travaillant avec et en concurrence avec des sociétés comme Intel, Qualcomm, Toshiba et Samsung, qui développent également leur propre produit MRAM.
Cela peut rendre l'action plus (ou moins) attractive en fonction du profil des investisseurs, l'action NVE étant plus susceptible de plaire aux investisseurs plus conservateurs recherchant un rendement en dividendes et de la sécurité.
Études référencées
1. Peng, S., Zheng, X., Li, S. et al. Mise à l'échelle non conventionnelle de l'effet Hall orbital. Nature Materials. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02326-3
2. Choi, WY., Ha, JH., Jung, MS. et al. Commutation de magnétisation entraînée par la dissipation de spin magnonique. Nature Communications 16 et 5859 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-61073-w
