Mémoire de données magnétique avec logique
Dans les ordinateurs, les données sont normalement stockées et traitées dans des modules distincts. Des chercheurs de l'ETH Zurich et du PSI ont désormais développé une méthode permettant d'exécuter des opérations logiques directement dans un élément de mémoire.
Quiconque a déjà débranché par inadvertance un ordinateur de bureau sait que toutes les informations qui n'étaient pas enregistrées de manière permanente à ce moment-là sont irrémédiablement perdues. En effet, les ordinateurs sont soumis à une stricte division du travail. Les données que l'ordinateur est en train d'utiliser sont stockées dans la mémoire de travail qui, comme le processeur de l'ordinateur, repose sur des transistors commandés électriquement. La mémoire vive est donc "volatile" : Si le courant vient à manquer, les données disparaissent également. Les données à stocker à long terme, comme les programmes, les images ou les vidéos, se trouvent sous forme non volatile soit dans une mémoire flash, soit sur un disque dur magnétique, d'où elles sont chargées dans la mémoire de travail en cas de besoin pour une utilisation ultérieure.
? l'ETH Zurich et à l'Institut Paul Scherrer (PSI), une équipe dirigée par Pietro Gambardella et Laura Heyderman tente de révolutionner ce principe appliqué depuis des décennies. Leur objectif : construire une mémoire de travail non volatile et rapide, capable d'effectuer simultanément des opérations logiques, telles que NOT, OR ou AND, sur les données. Sur leur chemin, ils ont récemment franchi une étape importante, publiée dans la célèbre revue scientifique "Nature".
Des mémoires de circuits rapides
Depuis quelques années déjà, les chercheurs développent des mémoires magnétiques de piste de course (racetrack memory en anglais). Celles-ci sont beaucoup plus rapides que les disques durs traditionnels, dans lesquels une tête de lecture et d'écriture doit être guidée mécaniquement vers un endroit précis du disque. Dans les nouveaux éléments de mémoire, en revanche, de minuscules zones magnétiques sont déplacées à l'aide d'un courant électrique à travers un fil de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur. Dans de telles zones, tous les moments magnétiques - comparables à de petites aiguilles de boussole appartenant aux atomes du matériau - pointent dans la même direction et représentent ainsi les valeurs binaires 0 et 1 des bits. Dans les mémoires de course, le mouvement mécanique d'une tête de lecture/écriture est superflu, ce qui leur permet d'avoir des temps d'accès nettement plus rapides que les disques durs traditionnels. Néanmoins, même les données stockées de cette manière doivent normalement être chargées dans une mémoire de travail pour être traitées.
"Nous avons maintenant réussi à effectuer des opérations logiques directement dans un tel élément de mémoire", explique Zhaochu Luo, qui a fait avancer le projet en tant que post-doctorant. Les opérations logiques sont utilisées dans les ordinateurs pour le traitement des données. L'opération logique NOT, par exemple, convertit la valeur 0 d'un bit en 1 et inversement. Normalement, cela se passe dans la mémoire vive, alors que les données sont lues et réécrites sur le disque dur magnétique, mais ne sont pas directement traitées.
Une interaction étrange
"Ici, c'est différent", explique Pietro Gambardella. "A l'aide d'un courant électrique, nous pouvons inverser la polarité des districts magnétiques et effectuer ainsi une opération NOT sur les données stockées. Pour ce faire, nous exploitons une interaction étrange qui se produit lorsque nous appliquons un film magnétique de cobalt sur une couche de platine". Cette interaction étrange fait que les moments magnétiques ne s'alignent pas parallèlement ou en sens inverse comme ils le feraient normalement. Gr?ce à la couche de platine, l'interaction peut faire en sorte que les moments magnétiques s'alignent à angle droit dans des districts adjacents. "C'est un peu comme si l'aiguille d'une boussole ne pointait plus vers le nord, mais vers l'est", explique Gambardella.
Gr?ce à cette disposition à angle droit des moments magnétiques, il se forme entre les districts adjacents un sens de rotation préférentiel de l'aimantation, un peu comme un tire-bouchon qui tourne dans une certaine direction. Si l'on envoie une impulsion de courant à travers la couche de platine, les électrons qui y circulent inversent progressivement la polarité des aiguilles atomiques de la boussole dans la couche de cobalt magnétique, créant ainsi un district magnétique itinérant. Aux endroits déterminés où l'interaction perpendiculaire est forte, la direction de magnétisation du district migrant est inversée. Cela correspond exactement à l'opération logique NOT.
De telles opérations dans différentes mémoires de circuits peuvent maintenant être combinées, ce qui permet de réaliser d'autres opérations logiques comme AND, OR ou NAND. Celles-ci peuvent à leur tour être assemblées pour former des circuits plus compliqués, qui additionnent par exemple deux nombres (voir image). Contrairement aux circuits traditionnels à base de semi-conducteurs, dans lesquels chaque transistor a besoin de sa propre alimentation électrique, les nouveaux circuits de course ne doivent en principe être alimentés en courant électrique qu'à l'entrée et à la sortie.
Applications dans l'Internet des objets
"Dans un premier temps, notre technologie pourrait surtout être utilisée dans des microprocesseurs à faible puissance de calcul", explique Gambardella. Un exemple actuel est l'Internet des objets, dans lequel différents appareils et capteurs communiquent directement entre eux. Les ordinateurs de ces appareils devraient être "instant-on", c'est-à-dire immédiatement opérationnels sans chargement fastidieux de systèmes d'exploitation, et consommer en outre peu d'énergie. Une technologie combinant mémoire magnétique et opérations logiques serait idéale à cet effet.
En principe, d'autres ordinateurs plus grands pourraient être exploités de cette manière, estime Gambardella. Mais dans la pratique, il admet que cela n'arrivera pas dans un avenir proche : "Optimiser les matériaux et les processus de fabrication dans ce sens est très co?teux pour les fabricants de puces ; il est donc encore trop t?t pour dire si notre technique peut remplacer la technologie traditionnelle des semi-conducteurs", mais il estime que l'approche est suffisamment intéressante pour être poursuivie et voir jusqu'où elle peut aller. Les chercheurs ont en tout cas déjà déposé une demande de brevet. Au bout du compte, nous aurons peut-être un ordinateur que l'on pourra débrancher sans perdre de données.
Ce texte est paru dans l'édition actuelle du magazine de l'ETH. Globe paru.