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La mémoire du futur dans les starting-blocks

Ridha Loukil

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La bataille pour la puce mémoire universelle s'intensifie. Si l'horizon commercial se précise, il n'existe pas encore de technologies matures propres à tout faire.

Les électroniciens rêvent d'une puce mémoire à la fois dense, rapide et non volatile. Ce vieux rêve est en passe de devenir une réalité. Deux technologies sont déjà sur le marché. Si elles ne sont pas encore parfaites, elles bénéficient de progrès permanents. Une troisième, encore au stade du développement, devrait arriver vers 2008. Toutes aspirent au rang de mémoire dite "universelle", c'est-à-dire mémoire à tout faire, susceptible de remplacer les différentes mémoires électroniques actuelles.

Aujourd'hui, l'industrie dispose principalement de trois familles de mémoires à semi-conducteurs. À chacune ses avantages et ses inconvénients. Mais aucune n'est parfaite. La DRam, qui sert de mémoire vive dans les ordinateurs, se distingue par sa grande densité. Mais elle est volatile (elle s'efface lorsque le courant est coupé) et nécessite le rafraîchissement régulier de l'information. La SRam, utilisée notamment dans les systèmes embarqués, s'affranchit de la contrainte de rafraîchissement. Elle se caractérise aussi par sa rapidité de lecture et d'écriture, mais reste toujours volatile. La Flash, qui fait office de mémoire de masse dans les baladeurs, clés USB ou téléphones mobiles, offre l'avantage de la non-volatilité. Mais elle est lente en écriture. Autant de différences qui obligent souvent le concepteur à combiner, dans le même système, les trois types de puces.En cumulant la densité de la DRam, la rapidité de la SRam et la non-volatilité de la Flash, la mémoire du futur se présente comme la mémoire idéale. Trois principales technologies émergent.

Une montée en densité difficile à obtenir

La mémoire ferroélectrique (FRam ou FeRam) est la plus mature. Son développement remonte à plus de trente ans. Si la start-up américaine Ramtron est à l'origine de la technologie, c'est le japonais Fujitsu qui lui a fait franchir le seuil du marché en 1999. La FRam séduit par la simplicité de sa construction. Tout comme la DRam, elle stocke l'information dans un condensateur, à la différence près qu'il utilise un matériau ferroélectrique de type PZT (titanate de plomb et de zirconium). L'information n'est pas stockée sous forme de charge électrique comme dans les mémoires à semi-conducteurs. Pour cela, on exploite plutôt la mobilité de l'atome central dans le cristal du matériau. Sous l'effet d'un champ électrique, il oscille entre deux positions stables représentant les deux états binaires 0 et 1. Le basculement d'une position à l'autre induit une décharge électrique qu'il suffit de détecter pour lire l'information déjà enregistrée. Après lecture, il faut cependant réécrire l'information en obligeant l'atome mobile à reprendre sa position précédente. Cette technologie, intéressante en termes de rapidité et de consommation électrique, se heurte toutefois à un problème d'usure et à la difficulté d'augmenter la densité. Elle souffre d'un vieillissement rapide qui limite son endurance à 1010 cycles d'écriture/lecture. C'est mieux que la Flash (105 cycles) mais nettement insuffisant pour les ordinateurs dont la vie connaît 1015 à 1016 cycles d'écriture/ lecture. Les chercheurs espèrent obtenir une endurance de 1012 avec d'autres composés ferroélectriques à meilleure tenue au vieillissement à l'instar du SBT (titanate de strontium et bismuth) ou du SBN (niobiumure de strontium et bismuth).

La difficulté à fabriquer des cristaux de bonne qualité en très grand nombre limite la montée en densité. C'est pourquoi les produits sur le marché plafonnent à 1 Mbit. Des prototypes de 128 Mbit ont été présentés en 2005 par Ramtron, Agilent Technologies ou Texas Instruments. La Flash, dont le développement a démarré au même moment, flirte aujourd'hui avec les 16 Gbit. La FRam progresse donc très lentement. Ce qui laisse Bernard Dieny, directeur de Spintec, labo commun CEA-CNRS, sceptique sur son potentiel de mémoire universelle. « Sauf miracle, elle risque de se cantonner longtemps à des applications embarquées dans le militaire, l'aérospatial ou l'industrie. »

La PCM pourrait remplacer la Flash

La mémoire à changement de phase (PCM) connaît des progrès plus rapides. Bien que l'idée remonte à une trentaine d'années, le développement n'a été relancé que récemment par les résultats de R&D obtenus pour les CD et DVD enregistrables. La PCM met en oeuvre le même principe, le changement de phase d'un chalcogénure, en l'occurrence du tellurure de germanium et d'antimoine, à la différence près que l'écriture et la lecture s'effectuent de façon électrique et non pas optique. En écriture, la cellule est chauffée jusqu'à 600 °C (température de fusion). Ensuite, selon que le refroidissement est lent ou rapide, elle prend une phase cristalline ou amorphe, représentant les états binaires 0 et 1. Le tout parfaitement contrôlé par la forme des impulsions de courant. Entre les deux phases, la résistance électrique diffère dans un rapport de 1 à 1 000. Il suffit de la mesurer pour lire l'information enregistrée.

Initiée par la start-up américaine Ovonyx, cette technologie, connue aussi sous le sigle OUM (Ovonic Unified Memory) du nom de son inventeur américain Stan Ovshinsky, est développée sous licence, notamment par Elpida, Intel, STMicroelectronics, Samsung et Qimonda. Les progrès obtenus sont à la mesure des efforts considérables déployés par ces industriels. Un prototype de 128 Mbit a été présenté de concert par Intel et STMicroelectronics, et un de 512 Mbit par Samsung. Le début de la production de volume est prévu vers 2008 pour une densité de 512 Mbit ou 1 Gbit. Pour Richard Fontanges, responsable des projets européens de recherche de NXP (ex-division semi-conducteurs de Philips), c'est la technologie idéale. « Elle offre le gros avantage de mettre en oeuvre un procédé déjà connu. Et, à la différence des autres technologies en lice, elle n'introduit ni matériaux magnétiques ni nouveaux substrats qui risquent de provoquer des contaminations en production ou de bouleverser la fabrication. Dans une industrie aussi conservatrice que la nôtre en termes de process, c'est un atout considérable. »

Bien que moins rapide en écriture que la SRam, la PCM affiche de bonnes performances sur tous les plans. Sauf en endurance où le nombre de cycles se limite à 1010, ce qui lui ferme l'application des ordinateurs, le véritable Graal de la mémoire. En revanche, elle est, selon Bernard Dieny, bien placée pour prendre le relais de la Flash dans les applications de stockage de masse quand cette dernière atteindra ses limites technologiques à l'horizon 2010-2012.

La mémoire magnétorésistive (MRam) constitue la voie la plus récente et peut-être la plus prometteuse. Son développement a été stimulé par la découverte, en 1995, de la magnétorésistance à température ambiante. Il s'appuie sur la spintronique ou l'électronique du spin, une science nouvelle née du mariage de l'électronique classique et du magnétisme. Le principe réside sur la propriété d'une couche isolante mince à laisser passer plus ou moins facilement le courant en fonction de la polarité des deux couches magnétiques qui la prennent en sandwich. Alors que la couche inférieure conserve la même orientation magnétique, la couche supérieure change de polarité pour indiquer l'état binaire 0 ou 1. Ce changement est réalisé par le biais de deux champs magnétiques orthogonaux. La lecture s'effectue par mesure de la résistance de la cellule.Pas de limite physique pour réduire la taille des cellules et augmenter la densité. La MRam rivalise aussi avec la SRam en rapidité et offre une endurance supérieure à 1015. Une voie royale pour remplacer la DRam dans les ordinateurs.

Des architectures inédites se profilent

Cette perspective suscite un engouement particulier chez IBM, NEC et Samsung. Mais c'est Freescale (l'ex-division semi-conducteurs de Motorola) qui a pris de l'avance en introduisant, en juin 2006, le premier produit, une puce de 4 Mbit. Sa technologie aurait le potentiel d'atteindre des densités supérieures à 100 Mbit. Un prototype de 16 Mbit existe. Pour l'heure, les applications visées se situent dans l'embarqué, en remplacement de la solution traditionnelle SRam+pile. Freescale travaille à l'extension de la gamme des températures dans le but de l'utiliser dans l'automobile comme boîte noire, à l'image de celles qui équipent les avions.

Mais à ce stade, la MRam n'est pas encore parfaite. Outre sa grande consommation de courant, elle pose un problème de sélectivité, c'est-à-dire un risque lors de l'écriture d'empiéter sur les bits voisins, ce qui pourrait être un frein à la montée de la densité. Pour la perfectionner, les chercheurs travaillent d'abord sur les matériaux. Aujourd'hui, la couche isolante fait appel à l'alumine qui offre une différence de 50 % de la résistance entre les deux états binaires. Le passage à l'oxyde de magnésium étend cette variation à 500 %. De quoi améliorer encore la rapidité. Les chercheurs inventent aussi de nouveaux procédés d'écriture plus rapides, plus sélectifs et plus sobres. La start-up grenobloise Crocus Technology, issue du Spintec, développe la technologie Tam-Ram (voir encadré). Les start-up américaines NVE et Grandis proposent des procédés concurrents. Autant de promesses qui, selon Bernard Dieny, placent la MRam dans les starting-blocks.

Selon le patron de Spintec, qui est également cofondateur et conseiller scientifique de Crocus Technology, la MRam détient un autre atout de taille dans la course à la mémoire universelle : l'intégration. « Les cellules magnétiques peuvent être réalisées au-dessus de la grille de transistors des circuits logiques. Ainsi, il sera possible de superposer les fonctions mémoire et traitement numérique et non plus de les mettre côte à côte comme on le fait aujourd'hui. Ceci ouvre la voie à des architectures inédites pour les systèmes électroniques en termes de compacité, de consommation de courant et de rapidité ».

UNE MRAM EN VERSION FRANÇAISE

- Créé en avril 2004, à Grenoble (Isère), Crocus Technology développe la Tam-Ram (Thermally assisted magnetic Ram), une version française de la MRam. Grâce à une écriture assistée thermiquement, elle prétend effacer les faiblesses de la MRam traditionnelle. Le principe consiste à chauffer le bit à écrire à environ 200 °C par des impulsions de courant à travers le tunnel. Du coup, sa polarité s'inverse plus vite et avec moins d'énergie. L'écriture agit sur le seul le bit chauffé. Pas sur les voisins. Enfin, le refroidissement rapide a pour effet de geler l'état du bit, offrant ainsi une immunité naturelle aux perturbations électromagnétiques. Pour remplacer la SRam dans les mobiles Couverte par sept brevets, cette technologie trouve ses origines au Spintec, labo commun entre le CEA et le CNRS, à Grenoble. Sa faisabilité a été démontrée par le projet européen NEXT entre 2002 et 2004. En juin 2006, Crocus Technology a levé 13,5 millions d'euros pour son développement. Objectif : une industrialisation dans trois ans. Dans un premier temps, elle vise le remplacement de la SRam dans les téléphones mobiles, les équipements de réseaux, les cartes à puces, les étiquettes RFID, l'automobile ou le militaire. Dans ces applications, les capacités demandées restent faibles : en général moins de 256 Mbit. Plus tard, elle s'attaquera aux ordinateurs et à l'électronique grand public, marchés occupés aujourd'hui par la DRam et la Flash avec des grandes capacités.

LES TROIS PRINCIPALES TECHNOLOGIES EN LICE

FRam ou mémoire ferroélectrique Principe Dans un cristal ferroélectrique, l'atome central se déplace entre deux positions stables selon l'orientation d'un champ électrique. - La position haute représente l'état binaire 1 - La position basse représente l'état binaire 0 - Lecture par détection de l'impulsion de courant créée lors du passage des positions 1 à 0. État d'avancement En production de masse depuis 1999 Avantages > Rapidité d'écriture et de lecture > Faible consommation d'énergie Inconvénients > Endurance limitée par le vieillissement des cristaux > Difficultés pratiques à augmenter les capacités MRam ou mémoire magnétorésistive Principe La résistance électrique d'une jonction à tunnel magnétique change selon la polarité de la couche magnétique de stockage. - La couche de stockage présente la même polarité magnétique que la couche de référence. C'est l'état binaire 0. - La couche de stockage a une polarité magnétique opposée à celle de la couche de référence. C'est l'état binaire 1. - Lecture par mesure de la résistance du courant dans le tunnel : faible pour 0 et élevée pour 1. État d'avancement Commercialisé depuis juin 2006 Avantages > Endurance quasi illimitée > Possibilité d'augmenter la densité Inconvénients > Grande consommation d'énergie > Problème de sélectivité pour les grandes densités PCM ou mémoire à changement de phase Principe La résistance électrique d'un matériau à changement de phase varie selon qu'il passe à l'état amorphe ou cristallin. - Le matériau à l'état cristallin représente l'état binaire 0. - Le matériau à l'état amorphe représente l'état binaire 1. - Lecture par mesure de la résistance électrique de la cellule : faible pour 0, élevée pour 1. État d'avancement Commercialisation prévue pour 2008 Avantages > Mise en oeuvre simple > Fonctionnement fiable Inconvénients > Lecture et écriture peu rapides > Endurance limitée

ET AUSSI...

À plus long terme, d'autres technologies prétendent parvenir à la mémoire universelle.

Mémoire résistive (RRam ou ReRam) - Utilise le changement de résistivité d'un film mince d'oxyde de type perovskite - Développée par Fujitsu, Intel, LSI Logic, Matsushita, Sharp, Sony, Samsung, Spansion...Mémoire à nanotubes de carbone (NRam) - Des nanotubes de carbone suspendus au-dessus d'une plaque de silicium se déplacent sous l'effet d'un champ électrique - Développée par la start-up américaine Nantero, mais aussi IBM, Hitachi, NEC...Mémoire à effet Cendrillon (ZRam) - Exploite l'apparition de capacité électrique dans le silicium sur isolant, un phénomène normalement néfaste en électronique - Développée par la start-up suisse Innovative Silicon et AMD

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