Un nouveau transistor pourrait réduire de 5% le budget énergétique numérique mondial

Un nouveau transistor pourrait réduire de 5% le budget énergétique numérique mondial

Un rendu à l’échelle nanométrique de deux matériaux, le graphène (gris) et l’oxyde de chrome (bleu), qui a permis collectivement aux chercheurs du Nebraska et de Buffalo de fabriquer un nouveau type de transistor. Les flèches rouges et vertes représentent le spin, une propriété des électrons liée au magnétisme qui peut être lue comme un 1 ou un 0. Matériaux avancés /John Wiley & Sons, Inc.

Une nouvelle tournure sur l’une des inventions les plus petites mais les plus grandioses du XXe siècle, le transistor, pourrait aider à nourrir l’appétit toujours croissant du monde pour la mémoire numérique tout en coupant jusqu’à 5 % de l’énergie de son alimentation avide d’énergie.

Après des années d’innovations de Christian Binek de l’Université du Nebraska-Lincoln et de Jonathan Bird et Keke He de l’Université de Buffalo, les physiciens se sont récemment associés pour fabriquer le premier transistor magnéto-électrique.

En plus de réduire la consommation d’énergie de toute microélectronique qui l’intègre, la conception de l’équipe pourrait réduire jusqu’à 75% le nombre de transistors nécessaires pour stocker certaines données, a déclaré le physicien du Nebraska Peter Dowben, conduisant à des appareils plus petits. Il pourrait également prêter à ces microélectroniques une mémoire en acier qui se souvient exactement où ses utilisateurs s’arrêtent, même après avoir été éteint ou avoir brusquement perdu de l’alimentation.

“Les implications de cette démonstration la plus récente sont profondes”, a déclaré Dowben, co-auteur d’un article récent sur le travail qui a fait la couverture du journal. Matériaux avancés.

Plusieurs millions de transistors tapissent la surface de chaque circuit intégré moderne, ou micropuce, qui est lui-même fabriqué en nombre stupéfiant – environ 1 000 milliards rien qu’en 2020 – à partir du matériau semi-conducteur préféré de l’industrie, le silicium. En régulant le flux de courant électrique dans une micropuce, le minuscule transistor agit efficacement comme un interrupteur marche-arrêt nanoscopique essentiel à l’écriture, à la lecture et au stockage des données en tant que 1 et 0 de la technologie numérique.

Mais les micropuces à base de silicium approchent de leurs limites pratiques, a déclaré Dowben. Ces limites obligent l’industrie des semi-conducteurs à étudier et à financer toutes les alternatives prometteuses possibles.

“Le circuit intégré traditionnel est confronté à de sérieux problèmes”, a déclaré Dowben, professeur Charles Bessey de physique et d’astronomie au Nebraska. “Il y a une limite à ce qu’il peut devenir plus petit. Nous sommes essentiellement dans la plage où nous parlons d’environ 25 atomes de silicium ou moins de large. Et vous générez de la chaleur avec chaque appareil sur un (circuit intégré), donc vous ne peut plus évacuer assez de chaleur pour que tout fonctionne, non plus.”

Cette situation difficile se profile alors même que la demande de mémoire numérique et l’énergie nécessaire pour y répondre ont grimpé en flèche au milieu de l’adoption généralisée des ordinateurs, des serveurs et d’Internet. Le smartening des téléviseurs, des véhicules et d’autres technologies par micropuce n’a fait qu’augmenter cette demande.

“Nous arrivons au point où nous allons approcher la consommation d’énergie précédente des États-Unis juste pour la mémoire (seule)”, a déclaré Dowben. « Et ça ne s’arrête pas.

“Vous avez donc besoin de quelque chose que vous pouvez réduire plus petit, si possible. Mais surtout, vous avez besoin de quelque chose qui fonctionne différemment d’un transistor au silicium, de sorte que vous puissiez réduire considérablement la consommation d’énergie.”

“Maintenant que ça marche, le plaisir commence”

Les transistors typiques à base de silicium sont constitués de plusieurs bornes. Deux d’entre eux, appelés source et drain, servent de points de départ et d’arrivée pour les électrons circulant dans un circuit. Au-dessus de ce canal se trouve un autre terminal, la porte. L’application d’une tension entre la grille et la source peut dicter si le courant électrique circule avec une résistance faible ou élevée, entraînant soit une accumulation, soit une absence de charges d’électrons qui sont respectivement codées en 1 ou 0. Mais la mémoire à accès aléatoire – la forme sur laquelle reposent la plupart des applications informatiques – nécessite une alimentation constante en énergie uniquement pour maintenir ces états binaires.

Ainsi, plutôt que de dépendre de la charge électrique comme base de son approche, l’équipe s’est tournée vers le spin : une propriété des électrons liée au magnétisme qui pointe vers le haut ou vers le bas et peut être lue, comme la charge électrique, comme un 1 ou un 0. L’équipe savaient que les électrons traversant le graphène, un matériau ultra-robuste d’un seul atome d’épaisseur, peuvent conserver leurs orientations de spin initiales sur des distances relativement longues – une propriété attrayante pour démontrer le potentiel d’un transistor à base de spintronique. En fait, contrôler l’orientation de ces spins, en utilisant beaucoup moins d’énergie qu’un transistor conventionnel, était une perspective beaucoup plus difficile.

Pour ce faire, les chercheurs devaient sous-tendre le graphène avec le bon matériau. Heureusement, Binek avait déjà consacré des années à l’étude et à la modification d’un tel matériau, l’oxyde de chrome. Fondamentalement, l’oxyde de chrome est magnéto-électrique, ce qui signifie que les spins des atomes à sa surface peuvent être inversés de haut en bas, ou vice versa, en appliquant une faible quantité de tension temporaire absorbant l’énergie.

Lors de l’application d’une tension positive, les spins de l’oxyde de chrome sous-jacent pointent vers le haut, forçant finalement l’orientation du spin du courant électrique du graphène à virer à gauche et à produire un signal détectable dans le processus. Au lieu de cela, une tension négative fait basculer les spins de l’oxyde de chrome vers le bas, l’orientation du spin du courant du graphène basculant vers la droite et générant un signal clairement distinguable de l’autre.

“Maintenant, vous commencez à obtenir une très bonne fidélité (dans le signal), car si vous êtes assis d’un côté de l’appareil et que vous avez appliqué une tension, alors le courant va dans cette direction. Vous pouvez dire que c’est ‘ sur », a déclaré Dowben. “Mais s’il dit au courant d’aller dans l’autre sens, c’est clairement” éteint “.

“Cela vous donne potentiellement une fidélité énorme à un coût énergétique très faible. Tout ce que vous avez fait était d’appliquer une tension, et cela s’est inversé.”

Aussi prometteuse et fonctionnelle que soit la démonstration de l’équipe, Dowben a déclaré qu’il existe de nombreuses alternatives au graphène qui partagent son épaisseur d’un atome, mais qui présentent également des propriétés mieux adaptées à un transistor magnéto-électrique. La course à la superposition d’oxyde de chrome avec ces autres candidats 2D est déjà lancée, a-t-il déclaré, et marque “non pas quelque chose, mais le début de quelque chose”.

“Maintenant que cela fonctionne, le plaisir commence, car tout le monde va avoir son propre matériel 2D préféré, et ils vont l’essayer”, a déclaré Dowben. “Certains d’entre eux fonctionneront beaucoup, beaucoup mieux, et d’autres non. Mais maintenant que vous savez que cela fonctionne, cela vaut la peine d’investir dans ces autres matériaux plus sophistiqués qui le pourraient.

“Maintenant, tout le monde peut entrer dans le jeu, trouver comment rendre le transistor vraiment bon et compétitif et, en fait, dépasser le silicium.”

Arriver à ce point a été un long voyage pavé d'”un nombre énorme d’avancées”, a déclaré Dowben, en particulier du duo de Binek et Bird.

“Ce type de projet démontre à quel point la recherche collaborative peut être percutante et efficace”, a déclaré Bird, “combinant, comme c’est le cas, l’expertise renommée dans les matériaux magnétiques du Nebraska avec les capacités de Buffalo dans les dispositifs semi-conducteurs à l’échelle nanométrique”.

Dowben n’a relaté que quelques-unes des avancées essentielles de l’équipe. On s’est rendu compte que les matériaux magnéto-électriques pouvaient s’avérer une approche viable. L’identification de l’oxyde de chrome. La modification de celui-ci, à la fois pour contrôler sa rotation avec une tension au lieu d’un magnétisme drainant de l’énergie, mais aussi pour s’assurer qu’il fonctionnerait bien au-dessus de la température ambiante, car, comme l’a dit Dowben, “Si vous allez concurrencer l’industrie des semi-conducteurs , il ne peut pas simplement fonctionner au Nebraska en hiver. Il doit fonctionner en Arabie saoudite en été. Ensuite, il y a eu les simulations informatiques fondées sur la théorie et plusieurs prototypes à un stade précoce.

“Il n’y a pas eu de moment edisonien ici. Vous savez en quelque sorte où vous allez, mais cela prend du temps”, a déclaré Dowben. “Il y a beaucoup de problèmes techniques à résoudre. C’est un travail fastidieux et ça n’a pas l’air joli.

“Mais parfois, les résultats sont absolument spectaculaires”, a-t-il déclaré, “et c’est amusant.”


Les cristaux artificiels pourraient aider les ordinateurs à fonctionner avec moins d’énergie


Plus d’information:
Keke He et al, Graphene on Chromia: A System for Beyond-Room-Temperature Spintronics, Matériaux avancés (2022). DOI : 10.1002/adma.202105023

Fourni par l’Université du Nebraska-Lincoln

Citation: Un nouveau transistor pourrait réduire de 5 % le budget énergétique numérique mondial (11 avril 2022) récupéré le 11 avril 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-04-transistor-world-digital-energy.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.