Chaque fois que vous utilisez votre smartphone pour envoyer un texte, prendre une photo ou publier sur les réseaux sociaux, d’innombrables électrons font le gros du travail en coulisses en gérant les entrées et en stockant ces informations. Mais des chercheurs chinois ont créé une nouvelle puce qui utilise un seul électron pour stocker des données.
Dans une étude publiée le 16 juillet dans la revue Scienceles scientifiques ont démontré une puce de mémoire flash bidimensionnelle (2D) capable de piéger un électron solitaire à température ambiante, réduisant ainsi l’énergie nécessaire au traitement des données.
L’appareil a été surnommé « Guiyi », ce qui signifie « retour à l’unique » dans le bouddhisme chinois. Il s’agit d’un clin d’œil au fait qu’un seul électron est le minimum théorique nécessaire pour transférer un seul bit, le Poste du matin de la Chine du Sud le comparant au « Saint Graal pour l’industrie des semi-conducteurs ».
Un signal plus fort provenant d’un seul électron
Selon les scientifiques, la raison pour laquelle cette technologie pourrait constituer une avancée majeure est qu’elle promet de résoudre les défis associés à l’efficacité énergétique, à la vitesse et à la stabilité, le tout dans un seul appareil.
« Nos exigences en matière de vitesse, de capacité, d’efficacité énergétique et de stabilité de stockage ont atteint un nouveau niveau à l’ère de l’IA », co-auteur de l’étude Chunsen Liuun ingénieur de l’Université de Fudan, a déclaré au journal public Chine Quotidien. « Être capable de stocker un bit d’information en modifiant l’état d’un seul électron réduira considérablement la consommation d’énergie et ouvrira la voie à une capacité de stockage beaucoup plus grande. »
Selon l’étude, les scientifiques ont tenté de stocker des données en utilisant un seul électron à la fin des années 1990, mais le signal, ou l’impulsion électrique, généré par le piégeage de l’électron était trop faible pour être lu clairement. Ils ont comparé cela à la détection de l’ondulation d’une seule goutte de pluie tombant dans un réservoir.
Pour contourner ce problème, l’équipe a structuré la puce de mémoire flash Guiyi 2D de manière à comporter une couche de graphène avant la porte flottante – un piège pouvant contenir des électrons et un endroit où les données peuvent être stockées même après la coupure de courant.
Les électrons peuvent se déplacer à travers le réseau hexagonal à atome unique du graphène avec une très faible résistance et à grande vitesse avec une perte d’énergie minimale. Cette couche de graphène permet aux électrons d’accélérer avant de sauter dans la grille flottante, où ils sont ensuite piégés.
Le résultat a été une impulsion électrique plus forte provenant d’un seul électron piégé, qui a produit un signal de 0,5 volt, soit 10 fois plus puissant que les tentatives précédentes avec un seul électron, ont indiqué les chercheurs.
Liu a déclaré au China Daily que Guiyi pourrait aider les données à circuler plus rapidement entre les unités de calcul et de stockage. « Cela réduirait considérablement les délais de transfert de données, améliorerait l’efficacité informatique et contribuerait à étendre les applications d’IA dans tous les secteurs », a-t-il déclaré.
Le défi de la mise à l’échelle
Guiyi est un autre exemple de « chercheurs explorant de nouvelles architectures de dispositifs pour surmonter les goulots d’étranglement de mémoire actuels » causés par intelligence artificielle (IA), Andrew Humphrisprofesseur de nanoimagerie à l’Université de Bristol et fondateur de la société de métrologie des semi-conducteurs Infinitesima, a déclaré à Live Science dans un e-mail.
La demande en charges de travail d’IA et en modèles de langage volumineux a créé un écart de performances entre les vitesses du processeur et de la mémoire, ralentissant ainsi le transfert de données. En même temps, les trois fabricants de puces qui dominent le marché de la mémoire flash NAND — Samsung, SK hynix et Micron — abandonnent la priorité à cette forme de mémoire non volatile qui conserve les données stockées lorsque l’alimentation est coupée.
Au lieu de cela, ils augmentent la capacité de mémoire à large bande passante. Cela a provoqué une pénurie de NAND et fait grimper les prix. Des technologies comme Guiyi, qui promettent d’accélérer le transfert de données, pourraient combler cette lacune.
Bien que Guiyi soit une solide preuve de concept, l’utilisation commerciale sera une autre histoire. Humphris a prévenu que le véritable défi résiderait dans la mise à l’échelle, affirmant qu’« une avancée scientifique ne peut transformer une industrie que si elle peut être produite de manière fiable, répétée et économique ».
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Il a cité l’exemple du fabricant de composants ASML, dont la technologie ultraviolette extrême (EUV) est devenue omniprésente dans l’industrie des semi-conducteurs ; il est utilisé par Intel et Samsung pour la production de nœuds de processus de 3 et 5 nanomètres. ASML a mis plus de deux décennies pour faire passer la technologie EUV du laboratoire de recherche à la production commerciale – ce qui est beaucoup plus longtemps que prévu par l’entreprise.
« Les entreprises qui façonneront la prochaine génération de puces d’IA ne seront pas seulement celles dotées des meilleures technologies », a ajouté Humphris, « mais aussi celles qui seront capables de fabriquer à grande échelle et au bon coût ».
Néanmoins, l’équipe dirigée par le premier auteur de l’étude Zhou Pengprofesseur de microélectronique à l’Université de Fudan, a des projets audacieux. Tel que rapporté par le South China Morning Post, il a déclaré en juin au Jiefang Daily (le quotidien officiel du Comité municipal de Shanghai du Parti communiste chinois) qu’ils prévoyaient de créer une entreprise plus tard cette année pour commercialiser la technologie d’ici trois à cinq ans. S’ils réussissent, dit-il, cela pourrait « bouleverser » le marché du stockage flash.
