Les scientifiques ont passé des décennies à rechercher des technologies de mémoire plus rapides et plus économes en énergie pour tout, des grands centres de données aux capteurs mobiles et autres appareils électroniques flexibles. Parmi les technologies de stockage de données les plus prometteuses se trouve la mémoire à changement de phase, qui est des milliers de fois plus rapide que les disques durs conventionnels mais n’est pas la plus économe en énergie parmi les types de mémoire émergents.
Aujourd’hui, les ingénieurs de l’Université de Stanford ont surmonté un obstacle clé qui a limité l’adoption généralisée de la mémoire à changement de phase. Les résultats sont publiés dans une étude de la revue Science.
Un substrat de mémoire à changement de phase flexible maintenu par une pince à épiler (à gauche) avec une séquence diagonale montrant des substrats en train d’être pliés. Crédit : Crystal Nattoo
“Les gens s’attendent depuis longtemps à ce que la mémoire à changement de phase remplace une grande partie de la mémoire de nos téléphones et ordinateurs portables”, a déclaré Eric Pop, professeur de génie électrique et auteur principal de l’étude. « L’une des raisons pour lesquelles il n’a pas été adopté est qu’il nécessite plus de puissance pour fonctionner que les technologies de mémoire concurrentes. Dans notre étude, nous avons montré que la mémoire à changement de phase peut être à la fois rapide et économe en énergie.
Résistance électrique
Contrairement aux puces de mémoire conventionnelles construites avec des transistors et d’autres matériels, un dispositif de mémoire à changement de phase typique se compose d’un composé de trois éléments chimiques – germanium, antimoine et tellure (GST) – pris en sandwich entre deux électrodes métalliques.
Les appareils conventionnels, comme les clés USB, stockent les données en activant et désactivant le flux d’électrons, un processus symbolisé par des 1 et des 0. Dans la mémoire à changement de phase, les 1 et les 0 représentent les mesures de la résistance électrique dans le matériau GST – à quel point il résiste au flux d’électricité.
« Un dispositif de mémoire à changement de phase typique peut stocker deux états de résistance : un état de résistance élevée 0 et un état de résistance faible 1 », a déclaré le doctorant Asir Intisar Khan, co-auteur principal de l’étude. « Nous pouvons passer de 1 à 0 et inversement en quelques nanosecondes en utilisant la chaleur des impulsions électriques générées par les électrodes. »
Les ingénieurs de Stanford ont développé une puce mémoire à changement de phase flexible, ultrarapide et économe en énergie. Crédit : Asir Intisar Khan
Chauffage à environ 300 degrés Fahrenheit (150 degrés Celsius) transforme le composé GST en un état cristallin avec une faible résistance électrique. À environ 1 100 F (600 C), les atomes cristallins se désordonnent, transformant une partie du composé en un état amorphe avec une résistance beaucoup plus élevée. La grande différence de résistance entre les états amorphe et cristallin est utilisée pour programmer la mémoire et stocker des données.
“Ce grand changement de résistance est réversible et peut être induit en allumant et en éteignant les impulsions électriques”, a déclaré Khan.
“Vous pouvez revenir des années plus tard et lire la mémoire simplement en lisant la résistance de chaque bit”, a déclaré Pop. “De plus, une fois la mémoire définie, elle n’utilise aucune énergie, comme une clé USB.”
‘Sauce secrète’
Mais la commutation entre les états nécessite généralement beaucoup d’énergie, ce qui pourrait réduire la durée de vie de la batterie dans l’électronique mobile.
Pour relever ce défi, l’équipe de Stanford a entrepris de concevoir une cellule mémoire à changement de phase qui fonctionne avec une faible puissance et peut être intégrée sur des substrats en plastique souple couramment utilisés dans les smartphones pliables, les capteurs corporels portables et autres appareils électroniques mobiles fonctionnant sur batterie.
“Ces appareils nécessitent un faible coût et une faible consommation d’énergie pour que le système fonctionne efficacement”, a déclaré le co-auteur principal Alwin Daus, chercheur postdoctoral. “Mais de nombreux substrats flexibles perdent leur forme ou même fondent à environ 390 F (200 C) et plus.”
Dans l’étude, Daus et ses collègues ont découvert qu’un substrat en plastique à faible conductivité thermique peut aider à réduire le flux de courant dans la cellule mémoire, lui permettant de fonctionner efficacement.
“Notre nouveau dispositif a réduit la densité de courant de programmation d’un facteur 10 sur un substrat flexible et d’un facteur 100 sur du silicium rigide”, a déclaré Pop. « Trois ingrédients sont entrés dans notre sauce secrète : un super-réseau composé de couches nanométriques de matériau mémoire, une cellule de pores – un trou nanométrique dans lequel nous avons fourré les couches de super-réseau – et un substrat flexible thermiquement isolant. Ensemble, ils ont considérablement amélioré l’efficacité énergétique.
Informatique ultrarapide et flexible
La possibilité d’installer une mémoire rapide et économe en énergie sur des appareils mobiles et flexibles pourrait permettre un large éventail de nouvelles technologies, telles que des capteurs en temps réel pour les maisons intelligentes et des moniteurs biomédicaux.
« Les capteurs ont des contraintes élevées sur la durée de vie de la batterie, et la collecte de données brutes à envoyer au cloud est très inefficace », a déclaré Daus. “Si vous pouvez traiter les données localement, ce qui nécessite de la mémoire, cela serait très utile pour la mise en œuvre de l’Internet des objets.”
La mémoire à changement de phase pourrait également inaugurer une nouvelle génération de calcul ultrarapide.
“Les ordinateurs d’aujourd’hui ont des puces séparées pour le calcul et la mémoire”, a déclaré Khan. « Ils calculent les données à un endroit et les stockent à un autre. Les données doivent faire des allers-retours, ce qui est très inefficace sur le plan énergétique. »
La mémoire à changement de phase pourrait permettre l’informatique en mémoire, qui comble le fossé entre l’informatique et la mémoire. L’informatique en mémoire nécessiterait un dispositif à changement de phase avec plusieurs états de résistance, chacun capable de stocker de la mémoire.
“La mémoire à changement de phase typique a deux états résistants, haut et bas”, a déclaré Khan. “Nous avons programmé quatre états de résistance stables, pas seulement deux, une première étape importante vers l’informatique flexible en mémoire.”
La mémoire à changement de phase pourrait également être utilisée dans les grands centres de données, où le stockage des données représente environ 15 % de la consommation d’électricité.
“Le grand attrait de la mémoire à changement de phase est la vitesse, mais l’efficacité énergétique de l’électronique compte également”, a déclaré Pop. « Ce n’est pas juste une réflexion après coup. Tout ce que nous pouvons faire pour fabriquer de l’électronique à faible consommation et prolonger la durée de vie de la batterie aura un impact énorme. »
Référence : « Mémoire à changement de phase à plusieurs niveaux à densité de courant à commutation ultra-basse sur un substrat flexible » par Asir Intisar Khan, Alwin Daus, Raisul Islam, Kathryn M. Neilson, Hye Ryoung Lee, H.-S. Philip Wong et Eric Pop, le 10 septembre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abj1261
D’autres co-auteurs de Stanford sont d’anciens chercheur postdoctoral Raisul Islam, la doctorante Kathryn Neilson, la chercheuse Hye Ryoung Lee, et H.-S. Philip Wong, professeur Willard R. & Inez Kerr Bell à la School of Engineering. Wong et Eric Pop sont également membres du corps professoral affiliés du Stanford Precourt Institute for Energy.
Le financement de cette recherche a été fourni par les sociétés membres de la Stanford Non-volatile Memory Technology Research Initiative (NMTRI), le Stanford Graduate Fellowship program, la Early Postdoc Mobility Fellowship du Fonds national suisse de la recherche scientifique et le Institut d’innovation collaborative de Pékin.
