Changer les technologies pour l’avenir

Du transistor au memristor : les technologies de commutation du futur

Schéma tridimensionnel d’un memristor en nitrure de bore hexagonal multicouche. Crédit : Mario Lanza / KAUST

L’invention du transistor par Bell Laboratory en 1947 a inauguré une ère d’appareils électroniques plus petits et plus froids en utilisant beaucoup moins d’énergie que leurs homologues à tube à vide volumineux et fragiles. Les transistors fonctionnent comme un interrupteur binaire pour faciliter le passage du courant électrique des états désactivés aux états activés. Les radios, les calculatrices et les téléphones ont été parmi la première vague d’instruments à remplacer les tubes à vide par la nouvelle technologie des semi-conducteurs. Au fur et à mesure que la technologie est devenue de plus en plus petite, les décennies suivantes ont vu l’intégration constante des transistors au silicium dans les appareils, et les ordinateurs, téléphones portables, montres, stimulateurs cardiaques et pratiquement tous les types d’appareils électroniques d’aujourd’hui en dépendent pour le traitement et la mémoire à grande vitesse.

Entrez le memristor, un appareil électronique qui émule le commutateur binaire à l’aide d’une configuration matricielle à deux et également trois dimensions, ou réseau de barres croisées, pour réguler les états de conductivité en fonction de la résistance actuelle. Le Dr Mario Lanza, professeur agrégé de science et d’ingénierie des matériaux au KAUST, affirme que, comme le transistor, ce n’est qu’une question de temps avant que les memristors ne deviennent la nouvelle norme de technologie de commutation, surpassant les transistors en termes de vitesse et d’efficacité opérationnelle.

Lanza est l’auteur principal d’un article de synthèse récemment publié, Technologies memristives pour le stockage de données, le calcul, le cryptage et la communication par radiofréquence, dans le cadre de La science couverture du magazine du 75e anniversaire de la découverte du transistor. Avec les conclusions des co-auteurs de l’industrie et du milieu universitaire, l’article est le premier à fournir un résumé complet des données qui soutiennent le niveau de préparation de la technologie memristor à travers les matériaux et les applications.

“Les memristors peuvent principalement être fabriqués à partir de quatre matériaux différents qui peuvent être appliqués à quatre applications, pour un total de 16 combinaisons, et ce document les couvre tous”, a déclaré Lanza. “Nous montrons statistiquement les critères techniques du fonctionnement des memristors dans ces différentes configurations. Vous voyez ce qui fonctionne, ce qui est très excitant. Notre compilation des résultats peut avoir un impact important sur le terrain.”

Lanza prévoit qu’à l’avenir, de nombreuses autres combinaisons pourraient être possibles car les memristors constitués de matériaux en couches bidimensionnels et de pérovskites améliorent rapidement leurs performances, et des applications supplémentaires pourraient être conçues.

Aller plus loin

La technologie actuelle des puces a déjà atteint la limite fondamentale de la mécanique quantique en termes de taille. Les transistors à puce ne peuvent pas être plus petits que la distance interatomique. Étant donné que la réduction n’est pas une option, la technologie memristive évolue, intégrant une technologie tridimensionnelle verticale impliquant une matrice nanométrique de fils métalliques avec un interrupteur isolant – le memristor – à chaque jonction. L’application d’impulsions de tension rompt l’isolation, créant un chemin pour le flux de courant. En supprimant la tension, la structure modifiée du matériau reste comme un fantôme conducteur, ou une mémoire qui, lorsque la tension est à nouveau appliquée, peut être inversée pour retrouver l’état initial.

De cette manière, le memristor sert de commutateur de polarité qui peut être basculé entre les états conducteur et non conducteur. Lanza a déclaré que cette capacité peut être utilisée pour de nombreuses fonctions différentes dans une séquence intégrée.

Du transistor au memristor : les technologies de commutation du futur

Les dispositifs memristifs, dans lesquels la résistance électrique peut être ajustée à deux niveaux non volatils ou plus, peuvent être fabriqués à l’aide de différents matériaux (rangée du haut). Cela permet d’ajuster leurs performances pour répondre aux exigences des différentes technologies. Les mémoires memristives sont une réalité et des progrès importants sont réalisés dans le calcul avancé, les systèmes de sécurité et la communication mobile (rangée du bas). Crédit : Université des sciences et technologies du roi Abdallah

“Le memristor est comme un couteau suisse. Il peut être utilisé pour beaucoup de choses”, a déclaré Lanza. “C’est un interrupteur avec de nombreux états que je peux régler, que je veuille 25 états stables ou instables, ou dix ou deux. La grille peut être programmée pour effectuer des calculs avancés à des vitesses rapides, consommant beaucoup moins d’énergie dans beaucoup moins d’espace et sur plus applications – des calculs qui nécessiteraient autrement de nombreux transistors pour faire le même travail.”

Les quatre types de matériaux non à base de silicium qui, selon Lanza, sont utilisés pour fabriquer des memristors sont des oxydes métalliques, tels que le dioxyde d’hafnium ; changement de phase, c’est-à-dire chalcogènes ; magnétique, c’est-à-dire cobalt ou fer; et ferroélectrique, c’est-à-dire le titanate de baryum. Les principales applications pour lesquelles les memristors sont utilisés sont le stockage, le calcul, la communication et le chiffrement. En fonction du matériau utilisé et de la résistance électrique appliquée, les performances peuvent être ajustées pour répondre aux exigences des différentes technologies.

Combler les lacunes

L’intégration 3D des memristors permet d’emballer plus d’appareils tout en conservant la plus petite taille possible, prouvant que la taille n’est pas le Saint Graal de l’excellence opérationnelle. Lanza a déclaré que cette technologie est déjà en cours avec des transistors, mais c’est un nouveau terrain pour les memristors. Même si le concept de memristors a été introduit dans les années 1970, la technologie n’a fait son chemin qu’au cours de la dernière décennie.

Alors que les memristors peuvent déjà être trouvés dans certains produits, tels que les centres de données et les montres, Lanza a déclaré qu’il reste de nombreuses applications prometteuses à explorer et que l’industrie suit de près la technologie pour évaluer les futures utilisations commerciales au-delà de l’électronique des transistors en silicium.

Il attribue la portée et le détail des conclusions de l’article à la nature interdisciplinaire de l’équipe. Trois des co-auteurs sont des scientifiques de l’industrie et six, dont Lanza, du milieu universitaire. Parmi les trois auteurs issus de l’industrie, l’un vient de Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), la multinationale responsable de la production de la plupart des puces dans le monde, y compris les micropuces les plus petites et les plus avancées ; et deux sont d’International Business Machines (IBM), un leader dans la fourniture de technologies de l’information avancées, avec des opérations dans plus de 170 pays.

Les auteurs universitaires qui ont contribué à l’article apportent leur expertise dans des applications spécifiques de memristor, y compris le cryptage des données, un domaine où les informations pour les normes de l’industrie font défaut. Lanza a déclaré que le document comble ces lacunes, en établissant une base de normes de spécifications techniques que les industries et d’autres peuvent référencer et affiner.

Avec des prévisions de marché qui devraient atteindre 5,6 milliards de dollars d’ici 2026, soit un gain de 2 % sur un marché de la mémoire de près de 280 milliards de dollars, il espère que le document incitera les entreprises à investir dans de nouvelles technologies basées sur les memristors.

Le Dr Meng-Fan Chang, directeur de la recherche d’entreprise à TSMC et professeur émérite à l’Université nationale Tsing Hua, a déclaré : « Il s’agit du premier article qui donne un large aperçu de la structure et des applications des memristors, l’appareil électronique qui devrait révolutionner l’industrie de la microélectronique.”


De meilleurs memristors pour l’informatique semblable au cerveau


Plus d’information:
Mario Lanza et al, Technologies memristives pour le stockage de données, le calcul, le cryptage et la communication par radiofréquence, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abj9979

Fourni par l’Université des sciences et technologies du roi Abdallah

Citation: From transistor to memristor: Switching technologies for the future (2022, 28 juin) récupéré le 28 juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-transistor-memristor-technologies-future.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. En dehors de toute utilisation loyale à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie ne peut être reproduite sans l’autorisation écrite. Le contenu est fourni seulement pour information.