Un dispositif de mémoire basé sur un antiferromagnétique pourrait renforcer les applications informatiques et répondre à des questions fondamentales

Un dispositif de mémoire plus robuste pour les systèmes d'IA

Image au microscope de l’un des dispositifs étudiés, constitué de deux croix de mêmes dimensions, où l’une a un pilier IrMn3 et la seconde n’est constituée que de Pt. Crédit : Northwestern University et l’Université de Messine

Une équipe de recherche de Northwestern Engineering et de l’Université de Messine en Italie a développé un nouveau dispositif de mémoire magnétique qui pourrait conduire à des systèmes d’intelligence artificielle (IA) plus rapides et plus robustes. Composée de matériaux antiferromagnétiques, la technologie de mémoire est immunisée contre les champs magnétiques externes et pourrait un jour améliorer divers systèmes informatiques, notamment le matériel d’IA, l’extraction de crypto-monnaie et les programmes d’exploration spatiale.

Un article décrivant le travail, intitulé “Observation of Current-Induit Switching in Non-collinear Antiferromagnetic IrMn3 by Differential Voltage Measurements”, a été publié le 22 juin dans la revue Communication Nature. Pedram Khalili, professeur agrégé de génie électrique et informatique à la McCormick School of Engineering, a dirigé l’étude. L’équipe comprend les premiers auteurs conjoints Sevdenur Arpaci et Victor Lopez-Dominguez, tous deux membres du laboratoire de Khalili, et Giovanni Finocchio, professeur agrégé de génie électrique à l’Université de Messine, qui a codirigé la recherche avec Khalili.

Les autres membres de l’équipe de Northwestern Engineering comprennent Matthew Grayson, professeur de génie électrique et informatique, et Mark Hersam, professeur Walter P. Murphy de science et génie des matériaux.

Les applications d’IA, des plates-formes de reconnaissance vocale numérique telles que Siri au traitement d’images médicales dans les soins de santé en passant par les plates-formes de contenu interactif telles que Netflix, utilisent des ensembles de données de plus en plus volumineux pour fonctionner, rendant la technologie matérielle de mémoire existante inefficace et non durable.

Les mémoires magnétiques à base de matériaux sont apparues comme la meilleure solution pour relever ce défi. Ils sont naturellement rapides et ont une grande endurance – ils ne s’usent pas facilement lors de cycles d’écriture répétés. Au cours de la dernière décennie, l’industrie des semi-conducteurs a investi massivement pour développer des mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM) afin de répondre à cette demande.

La version actuelle de la MRAM, cependant, construite sur des matériaux ferromagnétiques (FM) comme le fer et le cobalt, ne répond pas aux exigences des applications d’IA hautes performances. Pour fonctionner rapidement, la MRAM nécessite de gros transistors, ce qui l’empêche d’atteindre une densité élevée et réduit son endurance. Il ne peut pas non plus être mis à l’échelle à des dimensions plus petites – et donc à des densités plus élevées – car les bits de mémoire fabriqués à partir de matériaux ferromagnétiques présentent des interactions de champ magnétique qui les empêchent de fonctionner de manière fiable s’ils sont placés trop près les uns des autres.

Entrez les antiferromagnétiques (AFM), une classe de matériaux avec une dynamique intrinsèquement plus rapide que les matériaux FM et sans pôles magnétiques macroscopiques, qui permettent aux matériaux AFM d’éviter les interactions magnétiques indésirables. Cette fonctionnalité, associée à la capacité des AFM à être utilisées à de très petites dimensions, signifie que la mémoire basée sur l’AFM ne peut pas être effacée par des champs magnétiques externes, un avantage de sécurité majeur.

“Les matériaux antiferromagnétiques pourraient résoudre les défis de la MRAM ferromagnétique”, a déclaré Khalili. « Les antiferromagnétiques montrent le potentiel d’évolutivité, de vitesse d’écriture élevée et d’immunité aux falsifications par des champs magnétiques externes, tous des composants nécessaires pour fabriquer des appareils plus rapides afin de prendre en charge la croissance rapide des industries de l’informatique, des réseaux et du stockage de données. »

S’appuyer sur les succès passés

Le nouveau travail s’étend sur une étude de 2020 où l’équipe de recherche a d’abord démontré l’écriture électrique d’informations dans un dispositif de mémoire antiferromagnétique (AFM) compatible avec le silicium. L’appareil, composé de platine manganèse (PtMn), était significativement plus petit que les appareils AFM précédents et fonctionnait avec un courant électrique record. Ce dispositif était également le premier dispositif de mémoire AFM compatible avec les pratiques de fabrication de semi-conducteurs existantes.

Un dispositif de mémoire plus robuste pour les systèmes d'IA

Représentation schématique de l’appareil, montrant les sources de courant et les connexions du nanovoltmètre (V) pour l’une des expériences de commutation. . Crédit : Northwestern University et l’Université de Messine

“C’était une étape clé, car nous avons démontré qu’aucune nouvelle dépense d’investissement n’était nécessaire pour les entreprises qui voudraient adopter la technologie MRAM antiferromagnétique”, a déclaré Khalili. “Cependant, nous avons estimé que nous pouvions apporter des améliorations et remédier à plusieurs lacunes importantes et questions sans réponse sur la physique de l’appareil.”

À l’aide d’un nouveau système de matériau antiferromagnétique convivial appelé iridium manganèse (IrMn3), l’équipe a développé un nouveau dispositif de mémoire qui améliore son prédécesseur de plusieurs manières.

En plus de pouvoir écrire des données, le système des chercheurs fournit une méthode plus simple et plus fiable pour lire électriquement les informations contenues dans le matériau une fois qu’il a été écrit. C’est un défi pour les matériaux AFM, qui ont généralement des signaux de lecture plus petits que leurs homologues FM, ce qui rend difficile dans certaines applications de distinguer la commutation AFM des effets non magnétiques, tels que l’électromigration – le mouvement des atomes en réponse à des courants élevés.

“Un dispositif de mémoire fonctionnel nécessite à la fois l’écriture et la lecture de données à effectuer électriquement, et ce nouveau travail répond aux deux exigences simultanément”, a déclaré Khalili.

Pour ce faire, les chercheurs ont conçu une nouvelle structure d’appareil comportant six bornes électriques, contre quatre dans le modèle précédent. Cela a permis aux chercheurs de séparer les signaux de lecture de commutation de l’appareil des signaux non magnétiques et de mesurer la différence entre les deux tensions. Cette méthode a permis à l’équipe de confirmer que leur appareil fonctionnait sur la base de la commutation AFM à une variété de courants et de tensions.

“Cela apporte une nouvelle clarté à la physique sous-jacente de ces dispositifs et à leurs mécanismes de fonctionnement, permettant un développement et une optimisation plus fiables des dispositifs à l’avenir”, a déclaré Khalili.

Applications répandues, de Crypto à Mars

Alors que l’équipe continue d’affiner sa technologie, notamment en fabriquant des dispositifs de mémoire avec des géométries plus petites et des systèmes matériels avec des signaux de lecture plus importants pour des applications plus pratiques, Khalili a déclaré que leur travail pourrait éventuellement être appliqué partout où la mémoire est utilisée dans le calcul haute performance.

Par exemple, la crypto-monnaie pourrait bénéficier d’une mémoire plus puissante et plus dense. Actuellement, l’extraction de crypto-monnaie est souvent freinée par une bande passante mémoire limitée, ce qui augmente considérablement le temps et l’énergie nécessaires au traitement. Cela rend l’exploitation minière à la fois énergivore et lente. Une mémoire à plus haute densité qui peut être intégrée sur la même puce que l’exploitation minière pourrait aider à surmonter ces défis.

Une autre opportunité est le voyage dans l’espace. De nombreux systèmes spatiaux actuels, comme les rovers utilisés sur Mars, nécessitent des systèmes informatiques puissants pour exploiter de manière autonome de grandes quantités de vision, de navigation et de prise de décision. Ce défi est aggravé par le manque d’outils de navigation, comme les satellites GPS, à proximité des sites d’atterrissage. Les systèmes mis à niveau pris en charge par des dispositifs de mémoire plus puissants avec une bande passante plus large pourraient accélérer le processus. Les mémoires magnétiques, y compris les dispositifs basés sur l’AFM, sont intrinsèquement résistantes aux rayonnements ionisants présents dans l’espace, ce qui les rend parfaitement adaptées aux applications spatiales où la fiabilité et la dureté des rayonnements sont des exigences essentielles.

“Bien que les applications varient considérablement, le matériel sous-jacent et les puces de mémoire qui les sous-tendent sont essentiellement les mêmes”, a déclaré Khalili. “Notre technologie est à usage général et pourrait être appliquée partout où la mémoire est utilisée dans les systèmes informatiques haute performance d’aujourd’hui.”


Une nouvelle technologie pourrait aider à résoudre le “goulot d’étranglement de la mémoire” de l’IA


Plus d’information:
Sevdenur Arpaci et al, Observation de la commutation induite par le courant dans l’IrMn3 antiferromagnétique non colinéaire par des mesures de tension différentielle, Communication Nature (2021). DOI : 10.1038 / s41467-021-24237-y

Fourni par l’Université Northwestern

Citation: Un dispositif de mémoire basé sur un antiferromagnétique pourrait renforcer les applications informatiques et répondre à des questions fondamentales (2021, 23 juin) récupéré le 23 juin 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-06-antiferromagnetic-based-memory-device-bolster-applications .html

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