Les mémoires numériques de demain ?

Aujourd'hui, la plupart des appareils électroniques nomades utilisent des mémoires flash. Les mémoires ferroélectriques (1) sont plus rapides, mais présentent d'autres inconvénients (faible densité de stockage et destruction des données lors de la lecture notamment). Une équipe de l'Unité Mixte de Physique CNRS/Thales/Université Paris-Sud 11 a résolu ces problèmes (2) en montrant la faisabilité d'un nouveau type de mémoire basé sur l'association de deux phénomènes physiques: la ferroélectricité et l'effet tunnel. Ces mémoires auraient alors de nombreux avantages pour supplanter les mémoires flash. Ce résultat est publié dans Nature (advanced online publication du 31 mai 2009).

Aujourd'hui, l'électronique nomade a envahi notre vie. Elle dépend de manière cruciale des composants qui conservent les données quand l'appareil est éteint. On parle de mémoires non volatiles. Le marché réclame des mémoires toujours plus compactes, plus rapides, de plus haute densité et moins consommatrices d'énergie.

Actuellement, trois grandes familles de mémoires non volatiles existent: les mémoires magnétiques, les plus consommatrices d'énergie, les mémoires flash, avec lesquelles les temps d'écriture et de lectures sont plus longs, et les mémoires ferroélectriques, qui sont plus rapides mais avec lesquels les informations stockées sont détruites lors de la lecture. Les mémoires ferroélectriques sont commercialisées depuis plus de 10 ans et utilisées pour des applications de niche telles que certaines consoles de jeux.

En collaboration avec l'Université de Cambridge et la société Thales, une équipe de l'Unité mixte de physique CNRS/Thales/Université Paris-Sud 11 a réussi à marier deux phénomènes physiques que sont la ferroélectricité et l'effet tunnel. Les chercheurs ont montré la faisabilité d'un nouveau type de mémoire ferroélectrique, dont la lecture ne détruirait pas le contenu, ce qui était jusqu'à présent leur principal inconvénient.

La ferroélectricité est la propriété selon laquelle un matériau possède spontanément une polarisation électrique (asymétrie des charges internes). Elle peut être renversée par l'application d'un champ électrique extérieur. Une fois orienté, cet état de polarisation perdure. Il constitue la base de la mémoire non volatile et son orientation vers le "haut" ou vers le "bas" peut être associée à la valeur 0 ou 1 de notre informatique binaire.

L'effet tunnel, quant à lui, est un phénomène permettant à un objet quantique (un électron par exemple) de traverser un matériau isolant lorsque l'épaisseur de ce dernier est réduite à quelques atomes. Cet effet est observé dans des dispositifs appelés "jonctions tunnel" constitués d'une mince barrière isolante prise en sandwich entre deux électrodes conductrices.

Les chercheurs ont combiné ces deux phénomènes en utilisant comme isolant un matériau ferroélectrique. Ils sont parvenus à y préserver la ferroélectricité, généralement fragilisée à ces échelles nanométriques: il sont ainsi observé que l'orientation de la polarisation affectait spectaculairement l'effet tunnel et le passage d'un courant électrique au sein du dispositif. Ceci permet de lire de façon non destructive l'état de polarisation, soit le contenu de l'élément mémoire.

Ce résultat ouvre la voie à la simplification de l'architecture des mémoires ferroélectriques actuelles, avec pour perspectives une diminution des coûts, une augmentation de la densité de stockage ainsi que de la rapidité, et une moindre consommation électrique.


Notes:
(1) où on écrit les données dans une couche d'un matériau ferroélectrique
(2) en collaboration avec l'Université de Cambridge