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Les promesses de la spintronique

Thierry Mahé

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Intervenant déjà dans les disques durs et les capteurs, la spintronique va doper les mémoires statiques, puis "revisiter" la technologie des processeurs.

La spintronique, et sa première manifestation la magnétorésistance géante (MRG) qui a fait exploser la capacité de nos disques durs, passent en douceur dans le langage commun. Grâce au coup de projecteur sur le double Prix Nobel décerné en octobre au physicien français Albert Fert et à son confrère allemand Peter Grünberg.

Il est extraordinaire qu'une science aussi neuve (publiée en 1988) et aussi proche du fondamental ait pu ainsi, en l'espace de dix ans, révolutionner nos ordinateurs : plusieurs milliards de têtes de lecture informatique ont été commercialisées, générant au bas mot 20 milliards d'euros par an. Il est vrai que le progrès était de taille, IBM parvenant dès 1997 à multiplier par 100 la densité de stockage de ses supports. Le passage accéléré du fondamental à la préindustrialisation était aussi un modèle du genre, Albert Fert ayant associé, dès 1985, son laboratoire de physique des solides d'Orsay (Essonne) à Thomson-CSF (aujourd'hui Thales), grand spécialiste du dépôt en couche mince.

Rappel du principe. En électronique classique, on joue sur la charge des électrons. La spintronique, elle, s'intéresse au spin des électrons, une propriété quantique proche, dans le principe, d'un moment magnétique. Deux valeurs de spin sont possibles, permettant donc de mémoriser une information élémentaire : un qubit. Comment positionner le spin des électrons ? En faisant passer ces électrons au travers de couches ultrafines de matériaux électromagnétiques type fer ou cobalt : l'aimantation du matériau exerce une interaction avec le spin de l'électron. En pratique, les phénomènes impliqués font intervenir des densités de courants extrêmes élevées, donc de faibles épaisseurs. On a donc recours à des structures alternant un métal ferromagnétique (un alliage de fer et de chrome) et un métal non-magnétique, structures obtenues par déport de taille nanométrique - épitaxie par jet moléculaire sous ultravide.

Depuis, les choses sont allées très vite. Déjà, la MRG a engendré la magnétorésistance tunnel (TMR, exploitant l'effet tunnel) qui réalise un bond de géant en termes de miniaturisation - Albert Fert et son équipe sont également pionniers des jonctions tunnel magnétiques. Et surtout, le spectre des applications devient immense. Dans un premier temps, vers 2010, vont apparaître des mémoires statiques extraordinairement denses, rapides, puis des circuits radiofréquences, puis des processeurs hybrides où la mémoire sera logée au plus près du calcul. Dans le même temps, le stockage optique et les capteurs ne vont cesser de gagner en performance. Et l'on évoque déjà une électronique du spin gagnant un à un tous les composants.

La seule question est de savoir si cette mutation va donner lieu à des marchés de masse ou à des produits de niche. Il est vrai que l'industrie du silicium est volontiers conservatrice et dispose d'une phénoménale agilité à rattraper, sans lourds investissements, les technologies alternatives - comme les matériaux 3-5 type arséniure de gallium.

1. Les disques durs ont encore une immense marge de progrès

LA MRG (influence d'un champ magnétique dans un système multicouche faisant chuter sa résistance électrique) est le premier fait d'arme de la spintronique. Albert Fert et Alain Friederich (ex Thomson-CSF) ont pu obtenir des densités de stockage de 20 Gbit/cm2 de support : 100 fois la limite couramment admise. Cette technologie "ancêtre" touche aujourd'hui ses limites. La prochaine génération de disques utilisera donc la magnétorésistance tunnel - les couches ferromagnétiques sont intercalées avec des couches isolantes. Et le saut en densité va être tout aussi spectaculaire. Alain Schuhl, directeur du laboratoire Spintec (laboratoire commun au CNRS et au CEA, à Grenoble, Isère, fondé en 2002, 55 personnes dont 25 permanents), tenant compte des progrès réalisés sur la tête de lecture comme sur le support, avance des densités prochaines de l'ordre du Tbit/in2, soit environ 160 Gbit/cm2.

2. Des capteurs très sensibles et peu coûteux

C'est peu connu : la MRG a touché le domaine des capteurs en même temps qu'elle révolutionnait le stockage. Les premiers capteurs de champ magnétique très sensibles sont apparus dès 1993. Et paradoxalement, ces capteurs high-tech ont plutôt pour but de casser les prix. Dans l'automobile, par exemple, SNR a été parmi les premiers à intégrer cette technologie à ses roulements instrumentés. On les trouve de même dans le contrôle ABS, les systèmes d'injection, etc. Il est vrai que l'effet tunnel, exploité dans les capteurs TMR, dispose d'une bien meilleure sensibilité que le traditionnel effet Hall. « On peut, de ce fait, éloigner le capteur du phénomène à mesurer, généralement très chaud, et obtenir une électronique plus simple et plus fiable. D'autant que ces circuits présentent peu de dérive en température », explique Alain Schuhl. Qui ajoute : « C'est un domaine d'application évident. Pour autant, les marchés sont de faibles volumes : ils n'intéressent que peu d'industriels. »

3. MRam : la mémoire idéale

C'est le paradis de la spintronique en raison du progrès intrinsèque qu'elle apporte, comme du volume colossal du marché que représentent les mémoires. De tels chips existent déjà, surtout utilisées à des fins spatiales, en raison de leur faible sensibilité aux perturbations comme les rayons cosmiques. On estime que le marché décollera à compter des années 2010.

La technologie MRam (Magnetoresistive Random Access Memory) est parfaite sur le papier. Comme toutes les mémoires vives, elle procède par accès direct, donc rapide. De fait, le temps de cycle est aujourd'hui de 35 nanosecondes - donc proche de celui des SRam (Static Random Access Memory). Et comme les mémoires Flash, les MRam sont non volatiles, sans apport d'énergie. De plus, la consommation est très basse et la durée de vie "infinie".

Altis Semiconducor et Freescale sont pionniers. Ce dernier ayant commercialisé ses premières puces MRam en juillet 2006 : des chips de 4 Mbit. Le prix, 25 dollars pièce, est encore très excessif. Au Japon, Toshiba est loin d'un produit commercial mais fait le pari d'une technologie originale qui lui permet déjà d'atteindre 35 Mo/s sur prototype. Spintec est la machine de guerre française des MRam, relayée par la start-up à vocation industrielle Crocus Technology qui en exploite les brevets. Crocus vise des MRam de 16-32 Mbit. Jean-Pierre Nozières, son directeur scientifique, estime surtout que sa technologie a l'avantage de pouvoir être miniaturisée (sans consommation excessive) bien au-delà de ce dont est capable celle de Freescale.

Quel est le marché visé ? Dans un premier temps, les MRam remplaceraient les SRam de moyen de gamme, utilisées sur les machines serveur, mais sans alimentation de sauvegarde des données. Elles éviteraient aussi de recharger chaque fois les programmes depuis le support de masse.

4. Vers des processeurs hybrides

Ce sera le parachèvement du mariage entre l'électronique du silicium et de la spintronique. Alain Schuhl explique : « Aujourd'hui, près de 90 % de la surface des processeurs sont occupés par de la mémoire. Ce qui pose d'inextricables problèmes d'implantation. L'intérêt évident de la spintronique sera de stocker des données partout dans la puce, sur le même wafer, mais à l'étage supérieur, c'est-à-dire sans perte de place. Le gain en intégration serait énorme. On saurait faire cela aujourd'hui : les problèmes sont de nature industrielle. Il va nous falloir convaincre les fondeurs de silicium que le dépôt de couches ferromagnétiques ne pollue pas leur circuit, ne déséquilibre pas le dopage. C'est pourquoi je ne vois rien venir avant plusieurs années. » Pour autant Spintec travaille dès aujourd'hui au "rapatriement" progressif du nanomagnétisme dans le métier de la microélectronique. Par l'intermédiaire, entre autres, de logiciels de simulation et de bibliothèques de composants comme celle de l'environnement Spice.

5. Les composants radiofréquence : la manne !

S'il est un domaine que l'électronique du spin va bouleverser, c'est bien celui de ces circuits hyperfréquences qu'on trouve intégrés à tous les objets de la mobilité. Alain Schuhl pronostique : « Il va être possible de réaliser avec une technologie magnétique tous les étages de ces circuits : antenne et traitement. Ceci avec un taux d'intégration excellent. » En effet, la spintronique se prête à réaliser des circuits résonnants se comportant comme une antenne. Jean-Pierre Nozières estime : « On sait réaliser des circuits radiofréquences dotés d'un facteur de qualité très élevé. Ce qui destine, dans un premier temps, la technologie aux circuits autoadaptatifs des applications militaires. »

6. Des composants tout spintroniques : transistors, LED...

Plus futuriste, les chercheurs travaillent à des composants 100 % spintroniques comme des spin-transistors, ou même de la logique magnétique reprogrammable extrêmement dense. L'intérêt est de passer à des gravures en deçà du nanomètre, vers 2020. Contrairement aux circuits hybrides, où l'information est stockée sous forme magnétique pour être retransformée en courant, des labos "transportent" le spin lui-même. Ainsi l'équipe de Ian Appelbaum (Université de Delaware, États-Unis) a réussi à véhiculer cette information au-delà de 25 transporteurs, dans un circuit intégré. Les spin-LED (diodes électroluminescentes) pourraient émettre de la lumière pilotée par le spin : on obtiendrait un double codage de l'onde selon les deux composantes du champ électromagnétique. Ce serait un premier pas vers l'ordinateur quantique, où l'information serait stockée et manipulée sous forme de fonctions d'onde. Chef de file de ces travaux : le Center for Spintronics and Quantum Computation de l'Université de Santa Barbara (Californie).

ET AUJOURD'HUI... LA MAGNÉTORÉSISTANCE TUNNEL (TMR)

Elle succède à la magnétorésistance géante (MRG) principalement mise en oeuvre dans les disques durs. Une jonction tunnel magnétique est composée de deux couches ferromagnétiques séparées par une couche isolante de taille nanométrique. Elle exploite l'effet tunnel : un électron a une probabilité non nulle de passer cette barrière. Selon que les aimantations de ces couches (représentées par les flèches) sont orientées dans le même sens ou en sens opposé, la jonction présente une résistance très différente. Ainsi, chaque jonction stocke une information élémentaire "0" ou "1". On écrit en orientant les aimantations. Et un réseau de lignes conductrices recueille simplement l'information stockée. Dans cet exemple (CNRS-Thales), les couches magnétiques sont faites d'oxyde de manganèse séparées par une couche isolante de titanate de strontium.

QUATRE LABORATOIRES FRANÇAIS EN POINTE

Spintec (CNRS - CEA, Grenoble, Isère) CNRS-Thales (Paris-Sud, Orsay, Essonne) Institut d'électronique fondamentale (IEF, Orsay, Essonne) Laboratoire de physique des matériaux (CNRS, UMR Nancy-Université, Meurthe-et-Moselle)

UNE START-UP FRANÇAISE POUR LES MRAM

Fondée en 2004 par Jacques Noels, Crocus Technology a levé en 2006 13,5 millions d'euros de capitaux français, américains et suisses, principalement pour développer des mémoires MRam d'après la technologie du laboratoire grenoblois Spintec. Elle a ses bureaux à Grenoble (Isère) et à Sunnyvale (Californie). La start-up s'est attirée Jean-Pierre Nozières comme directeur scientifique. La technologie de Crocus Technology, la Tam-Ram (Thermally Assisted Magnetic Ram) combine une excitation thermique avec la commande magnétique : la polarité s'inverse plus vite et le dispositif est moins sensible aux perturbations électromagnétiques. La start-up, qui est en négociation avec des fondeurs de silicium, présentera un prototype fin 2008, et entamera la commercialisation de ses chips vers 2010.

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