Traitement des données atteint la plus petite dimension : « Nano-circuit intégré » composé uniquement de magnons

Fig. 1 : Le couplageur directionnel est représenté avec une structure atomique visible. L'onde de spin passe d'un nanofilaire à une autre nanofilaire — là où les lignes se rapprochent. (Niels Paul Bethe, SYNC conception audiovisuelle)

2 : La fonctionnalité principale du coupleur directionnel nanoscopique consiste à pouvoir diriger une onde de spin vers différentes sorties en fonction de sa fréquence, de son intensité ou du champ magnétique appliqué. (Qi Wang, Université de Vienne)

Les chercheurs dirigés par l'Université Technique de Kaiserslautern (TUK) et l'Université de Vienne ont réussi à construire la brique de base d'un nouveau circuit informatique : au lieu d'électrons, ce sont des magnons au format nanométrique qui assurent la transmission de l'information. Le « demi-additionneur magnétique », décrit dans la revue spécialisée Nature Electronics, nécessite seulement trois nanofils et beaucoup moins d'énergie que les puces informatiques modernes.

Une équipe de physiciens a atteint une étape importante dans la recherche de composants plus petits et plus économes en énergie pour le traitement de données assisté par ordinateur : ils ont développé, en collaboration, un circuit intégré composé de matériaux magnétiques et de magnons. Il permet de transmettre des données binaires – une succession de uns et de zéros – sur lesquelles repose le langage fondamental des ordinateurs et smartphones actuels.

Le nouveau circuit est extrêmement minuscule et présente une conception 2D profilée, qui consomme environ dix fois moins d'énergie que les puces modernes utilisant la technologie CMOS. Le prototype actuel de magnons n'est pas aussi rapide que le système CMOS. Cependant, cette démonstration réussie ouvre la possibilité d'étudier davantage le demi-additionneur magnétique en vue d'applications en calcul quantique ou neuromorphe.

Une collaboration fructueuse

Le prototype est le fruit de quatre années de recherche, financées par une bourse de démarrage du Conseil européen de la recherche (ERC) pour Andrii Chumak. Étroitement impliqués, le professeur associé Dr. Philipp Pirro de la TUK et le Dr. Qi Wang, actuellement post-doctorant à l'Université de Vienne. Le professeur Chumak a commencé ses travaux à la TUK et dirige désormais un groupe de recherche à l'Université de Vienne.

« Nous sommes très heureux que le projet, déjà planifié il y a quelques années, ait finalement abouti. Et le résultat est même meilleur que prévu », déclare Chumak. La première conception du circuit à base de magnons était encore très complexe. Il remercie Wang, l'auteur principal du travail, qui a « amélioré le design au moins cent fois » au cours du projet. « Nous voyons maintenant que les circuits à base de magnons peuvent être aussi performants que ceux en CMOS. Cependant, cela ne suffit malheureusement pas encore pour convaincre l'industrie. Pour cela, notre circuit devrait probablement être au moins cent fois plus petit et fonctionner cent fois plus vite », explique Chumak. « Néanmoins, notre composant ouvre des perspectives fantastiques au-delà des données binaires, par exemple pour le calcul quantomagnétique à très basse température. » Pirro ajoute : « Nous sommes également intéressés à adapter le circuit pour des ordinateurs magnoniques neuromorphes, qui s'inspirent du fonctionnement de notre cerveau. »

Comment cela fonctionne

Les composants du circuit nanométrique mesurent moins d’un micromètre, sont bien plus fins qu’un cheveu humain et à peine visibles au microscope. Le circuit se compose de trois nanofils en matériau magnétique appelé granat d’yttrium-fer. Les fils sont placés très proches les uns des autres pour former deux coupleurs de direction, qui guident les magnons à travers les fils. Les magnons sont des quanta d’ondes de spin – on peut les imaginer comme des vagues à la surface d’un étang après qu’une pierre y a été jetée. Dans ce cas particulier, ces vagues sont formées par des déformations dans l’ordre magnétique d’un matériau solide au niveau quantique. L’équipe a investi beaucoup d’efforts pour déterminer la longueur optimale des nanofils et la distance idéale entre eux pour obtenir les résultats souhaités. Wang a travaillé sur ce projet dans le cadre de sa thèse à la TUK. « J’ai effectué quelques centaines de simulations pour différents types de demi-additionneurs », explique-t-il. « Le prototype actuel est le troisième ou le quatrième design. »

Dans le premier coupleur, où deux fils sont très proches, la vague de spin est divisée en deux moitiés. Une moitié va vers le second coupleur, où elle rebondit entre les fils. Selon l’amplitude, la vague sortira soit du fil supérieur, soit du fil inférieur, ce qui correspond à un « 1 » binaire ou à un « 0 ». Comme le circuit comporte deux coupleurs directionnels additionnant deux flux d’informations, il constitue un demi-additionneur, l’un des composants les plus universels des puces informatiques. Des millions de ces circuits peuvent être combinés pour réaliser des calculs et des fonctions de plus en plus complexes.

« Ce qui dans un ordinateur classique nécessite généralement des centaines de composants et 14 transistors, ici ne demande que trois nanofils, une onde de spin et une physique non linéaire », résume Pirro.

Applications futures

Pirro, qui dirige actuellement le domaine du calcul spintroniquique (Spintronique = électronique du spin) dans le cadre du programme de recherche collaborative « Spin+X » à la TUK, va maintenant étudier l’utilisation du circuit à base de magnons pour le calcul neuromorphe. Il ne s’agit pas de traiter des données selon le principe binaire, mais plutôt de s’approcher du fonctionnement du cerveau humain. En effet, les ondes de spin sont beaucoup mieux adaptées à un design plus complexe et tolérant au bruit. Elles ont aussi le potentiel de transporter beaucoup plus d’informations, car elles offrent deux paramètres – l’amplitude, c’est-à-dire la hauteur de l’onde, et la phase, c’est-à-dire l’angle de l’onde. Dans l’approche actuelle, l’équipe n’a pas encore utilisé la phase comme variable, afin de simplifier au maximum le traitement binaire des données.

« Si cet appareil peut déjà rivaliser avec le CMOS, même sans exploiter tout le potentiel de l’onde, nous pouvons être assez sûrs qu’un concept utilisant toute la gamme de performances de l’onde de spin pourrait être plus efficace que le CMOS dans certains domaines », affirme Pirro. « Car l’objectif ultime est bien sûr de combiner les forces de la technologie CMOS et de la magnoniquе. »

Questions-réponses :

Jun.-Prof. Dr. Philipp Pirro
Université Technique de Kaiserslautern  
Tél. : +49 631 205 4092    
E-mail : ppirro[a]physik.uni-kl.de

Prof. Dr. habil. Andrii Chumak
Université de Vienne
Tél. : +43 1 4277-73910
E-mail : andrii.chumak[a]univie.ac.at