La mémoire MRAM à un térahertz va-t-elle révolutionner les accès mémoire ?

Un article publié par l’université de Tokyo va-t-il changer la face de nos appareils électronique ? À moins de disposer d’une machine à voyager dans le temps et de regarder ce qu’il se passe dans dix ans, difficile à dire. Mais une chose est certaine : cette publication a de quoi faire rêver ceux qui attendent l’avènement d’une mémoire ultra-rapide en développement depuis quatre décennies.

Lire aussi : Intel et Samsung développent la mémoire du futur… depuis plusieurs décennies ! (déc. 2018)

La MRAM ou Magnetic Random Access Memory est, sur le papier, un Graal de la mémoire au sens large. Jugez plutôt : sa vitesse d’accès est de l’ordre la nanoseconde, sa vitesse d’écriture (changement d’état de la cellule) de la picoseconde, elle ne consomme pas d’énergie du tout quand elle n’est pas utilisée et conserve les informations une fois l’appareil éteint. En gros, elle conjugue les forces de la RAM (mémoire vive) et de la ROM. Elle est belle, elle est parfaite, elle pourrait résoudre bien des problèmes, notamment dans les supercalculateurs et… elle n’est toujours pas industrialisée en masse.

Les atouts de la MRAM :

• Elle est non-volatile (comme nos disques durs ou SSD)
• Elle est jusqu’à 1000 fois plus rapide que la DRAM ou la Flash,
• Elle n’est pas besoin d’effacer les données préalablement stockées avant de pouvoir écrire d’autres
• Elle consomme peu d’énergie
• Elle est théoriquement inusable

Comme le premier « M » de son nom l’indique, la MRAM est basée sur des principes magnétiques. Qui dit en retour « champ magnétique », des champs qui posent des problèmes aux chercheurs et ingénieurs. Notamment l’impossibilité de ranger les cellules magnétiques de manière aléatoire dans l’espace. Ce qui force un alignement des cellules (compliqué et couteux) qui génère, en retour, un champ magnétique qui ralentit la vitesse de lecture. Les chercheurs qui travaillent dessus ont bien des astuces, mais elles consistent souvent à jouer avec des températures proches du zéro absolu… En gros : pour l’heure, la MRAM fonctionne bien, mais n’est pas encore prête pour la production de masse de nos appareils électroniques. Enfin ça, c’était avant.

Réduire la résistance et travailler à température ambiante

Ce qu’affirment avoir réussi les chercheurs de l’université de Tokyo dans leur article publié le 18 janvier dernier dans la publication Nature sous le titre très sexy de « Octupole-driven magnetoresistance in an antiferromagnetic tunnel junction », semble lever de nombreuses barrières scientifiques dans le développement d’une MRAM plus efficace et facilement utilisable. Digéré et rendu plus lisible par nos confrères de ScienceDaily (la grâce leur soit rendue : la vulgarisation scientifique, c’est dur !), cet article montre deux réussites clés de la part de ces chercheurs.

Primo, ils ont conçu un tout nouveau composant antiferromagnétique. Contrairement aux aimants ferromagnétiques qui génèrent un champ à cause de l’ordre magnétique qui règne à température ambiante, cet aimant ne génère pas ce champ. Vous l’aurez compris ici, son absence évite le ralentissement de l’écriture et la lecture des informations. Ce qui permet aux chercheurs de promettre des vitesses de changement d’état de la cellule, de l’ordre du térahertz. C’est-à-dire de l’ordre de 10^-12 fois par seconde. Oui, ça pourrait aller très vite !

Deuxio, ce composant antiferromagnétique fonctionne à température ambiance. Pas besoin de venir refroidir à l’extrême pour aller chercher des propriétés quantiques des matériaux. Ce qui rapproche un peu plus la MRAM de notre monde réel.

D’autres barrières dont celle de l’industrialisation

Vous pensez que la messe est dite, que votre saut temporel en 2033 vous montrera des machines équipées de MRAM ? Calmez vos ardeurs, même les chercheurs qui travaillent dessus n’en sont pas là. Il s’agit d’un succès de chercheur en laboratoire sur un point précis de science. La somme des développements nécessaires à la production de masse d’un module très dense de MRAM fonctionnant sur ce principe est encore énorme.

Dans l’interview accordée à ScienceDaily, le professeur Satoru Nakatsuji du département de physique de l’université de Tokyo explique que la manière dont l’aimant antiferromagnétique est produit est loin d’être triviale : « Nous cultivons des cristaux sous vide, en couches incroyablement fines en utilisant deux procédés appelés épitaxie par jets moléculaire et pulvérisation au magnétron. […] C’est une procédure extrêmement difficile et si nous l’améliorons, cela nous facilitera la vie et nous permettra aussi de produire des appareils plus efficaces. » Vous l’aurez compris, il s’agit pour l’heure de science sortant d’un laboratoire de pointe.

Lire aussi : Samsung, géant de la mémoire, mise sur sa MRAM ultrarapide pour améliorer nos objets connectés (fév. 2021)

En admettant que le procédé s’améliore, quand bien même les chercheurs finiraient par obtenir des modules de mémoire complexes de MRAM, un défi majeur se dressera sur le chemin de cette technologie : l’industrialisation. Il faut un grand pas pour sortir une technologie d’un laboratoire vers la petite production pour le reste de la recherche, l’espace pour la défense. Mais il faut souvent un pas de géant pour passer à la magnitude de la production de masse. Seul levier pour permettre à une technologie de décoller vraiment. Le parallèle évident est celui des capteurs d’image rétroéclairés. Si de nombreux capteurs ont été produits en laboratoires, notamment pour les capteurs spatiaux des satellites d’imagerie, il aura fallu attendre que Sony conçoive le procédé de fabrication industrielle Exmor R pour commencer à voir arriver ces capteurs ultra sensibles en basses lumières. D’abord dans les compacts, puis dans les smartphones.

Si les chercheurs arrivent à tirer profit de la découverte de cette unité japonais, une brique majeure – voire des fondations ? – vient peut-être d’être posée aujourd’hui. Et toute l’industrie est à l’écoute des résultats de ces recherches : le géant coréen Samsung parie en effet lui aussi dessus. Il faut dire que les promesses de la mémoire MRAM sont énormes. Et à la hauteur des défis que représente la mémoire à l’heure actuelle. Notamment dans les supercalculateurs où la vitesse des processeurs (CPU, GPU, etc.) a progressé bien plus vite que la vitesse des mémoires.

Edit du 20/01/2023 : la version initiale de l’article mentionnait un temps d’accès à la cellule “de l’ordre de la milliseconde”. C’est évidemment une erreur : les temps d’accès de la MRAM sont de l’ordre la nanoseconde et le changement d’état (écriture) de l’ordre de la picoseconde.

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Source : ScienceDaily