Avec la STT-MRAM, IBM et Samsung pulvérisent les performances du flash

Une mémoire électronique non-volatile, économe en énergie, 100?000 fois plus rapide que la flash NAND qui équipe les SSD, clés USB et autres cartes de stockage, et qui ne s'use jamais alors que la flash est limité à quelques dizaines de milliers d'écritures?? C'est ce qu'ont entrepris de développer conjointement IBM et Samsung. Plus précisément, les deux organisations ont concentré leurs efforts sur les procédés de fabrication d'une telle mémoire.

20 ans de recherches

« La Spin Torque MRAM est un nouveau type de mémoire, elle est unique, déclare le Dr Daniel Worledge, chercheur chez IBM. Elle peut-être utilisé dans les applications à faible consommation d'énergie comme l'Internet des objets ou les mobiles. » De fait, cette mémoire prometteuse utiliserait très peu d'énergie quand elle est active et aucune quand on ne la sollicite pas. « Car elle n'est pas volatile », assure le chercheur. De plus, son volume atteint aujourd'hui des records de compacité. Sa jonction magnétique, qui va stocker l'information, peut être produite en 11 nanomètres. « Cela signifie que nous serions capables de fabriquer des puces MRAM très denses et très rapides à l'avenir et qui pourrait être utilisée en tant que mémoire cache dans les serveurs d'IBM. »

La MRAM a été proposé il y a 20 ans par le chercheur d'IBM John Slonczewski. Et même à 1974 si l'on remonte aux prémices de cette technologie avec la mise au point des jonctions à tunnel magnétique. Le scientifique y proposait un « nouveau mécanisme pour stimuler l'état magnétique d'un élément ferromagnétique ». Si l'essor des technologies flash et DRAM (Dynamic RAM) ont cantonné la MRAM à des usages de niches, les recherches ne s'en sont pas moins poursuivies, notamment autour de l'abaissement des besoins énergétiques et une plus grande densité, pour aboutir à l'actuelle Spin Transfer Torque MRAM (STT-MRAM) que l'on pourrait traduire par «?transfert de mouvement couplé à de la MRAM?».

Augmenter la densité

Pour mémoire, la MRAM (Magnetic Random Access Memory) utilise le mouvement des électrons pour stocker les bits (les états 0 ou 1 propre à l'informatique binaire, la seule fonctionnelle actuellement en attendant la mise au point de l'ordinateur quantique) sur une grille de cellules composées de couches ferromagnétiques, des aimants, séparées par un isolant sur un plan vertical. Si les deux aimants pointent vers le Nord, leur état correspond à 0. Si l'un d'eux pointe vers le Sud, l'état prend la valeur de 1.

Si les qualités de la STT-RAM sont pleines de promesses en matière de performances, les chercheurs d'IBM restaient convaincus qu'elle ne trouverait pas sa place sur le marché tant qu'elle n'atteindrait pas une densité suffisante pour remplir ses fonctions de mémoire cache dans un serveur. « À moins d'augmenter la densité et la vitesse, nous savions que l'utilisation en tant que mémoire cache ne deviendrait jamais réalité, justifie Daniel Worledge. Donc, nous sommes retournés à la planche à dessin pour réduire l'échelle. » C'était en 2011. Et la taille des transistors de la MRAM atteignait les 20 nanomètres (nm).

11 nm

Les scientifiques ont réduit à 11 nm la largeur d'un transistor STT-MRAM

Depuis, IBM a travaillé avec Samsung. Les scientifiques respectifs des deux entreprises ont réussi à mettre au point des cellules MRAM de 11 nm utilisant seulement 7,5 microampères à base d'impulsions électriques d'une durée de 10 nanosecondes. Leurs travaux ont été publiés le 7 juillet dernier dans IEEE Magnetic Letters. « Même si les recherches doivent se poursuivre, ce résultat devrait donner à l'industrie la confiance pour avancer, ajoute le chercheur selon qui le temps pour Spin Torque MRAM a sonné.» D'autant que, utilisant des transistors classiques, cette «?nouvelle?» mémoire peut s'intégrer plus facilement que la mémoire flash sur un même composant logique CMOS. Selon IBM, nombre de fabricants de semi-conducteurs envisageraient de remplacer la flash avec de la STT-MRAM embarquée dans les noeuds à 28 nm et en dessous.

Et aujourd'hui, l'émergence des applications cognitives qui réclament des océans de données structurées et non structurées pourrait fournir à la Spin Torque MRAM un formidable débouché. Usages et perspectives, autant de questions que les scientifiques auront tout les loisirs de débattre le 7 novembre prochain à l'occasion du symposium spécialement organisé par IBM pour les 20 ans de la Spin Torque MRAM au Thomas J. Watson Research Center de New York. Si la vision d'IBM est la bonne, la mémoire flash peut commencer à compter ses jours.

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Photo d'entête : le scientifique Janusz Nowak, chercheur chez IBM, co-auteur des travaux récents sur la STT-MRAM.