CISE-ANR: FET: Small: Systèmes hybrides de jonctions tunnels stochastiques pour l'optimisation et l'inférence – StochNet

Le projet StochNet a reposé sur une approche intégrée combinant fabrication de dispositifs, caractérisation expérimentale avancée et modélisation physique, portée par la complémentarité des trois partenaires SPINTEC, University of Maryland et NIST.

Sur le plan technologique, des jonctions tunnel magnétiques stochastiques à anisotropie perpendiculaire ont été conçues et fabriquées en salle blanche. Le dimensionnement des empilements et de la géométrie des dispositifs a été ajusté pour placer la barrière énergétique dans un régime où l'aimantation fluctue spontanément sous l'effet thermique, à des échelles de temps exploitables. Cette étape a nécessité de nombreuses itérations de fabrication et de caractérisation pour obtenir des dispositifs reproductibles et fiables.

La caractérisation expérimentale a combiné des mesures de transport électrique, l'analyse statistique des fluctuations d'aimantation et l'étude de la dynamique temporelle des dispositifs. La qualité de l'aléa produit a été évaluée à l'aide des tests statistiques standards de génération de nombres aléatoires. Des protocoles spécifiques ont été développés pour caractériser le couplage électrique programmable entre dispositifs, en mesurant la corrélation ajustable en signe et en amplitude entre jonctions interconnectées, ainsi que pour sonder l'opération dans la gamme nanoseconde.

La modélisation a joué un rôle central pour interpréter les mesures et guider la conception. Des approches fondées sur la physique de l'aimantation thermiquement activée, incluant la description de type Néel-Brown et l'estimation des préfacteurs d'Arrhenius, ont été confrontées aux données expérimentales. Des méthodes de modélisation pilotées par les données, notamment de type Langevin, ont permis de reproduire fidèlement la dynamique stochastique observée et de relier les paramètres microscopiques aux comportements mesurés.

Enfin, une démarche prospective a été engagée autour de la criticité auto-organisée, à travers l'analyse de réseaux de dispositifs couplés et le développement de protocoles adaptés à une mise en œuvre matérielle. Cette approche, initiée en fin de projet, constitue le socle méthodologique désormais approfondi dans le projet HOBBIT. L'ensemble de la démarche a bénéficié d'échanges continus entre expérience et modélisation, ainsi que d'une circulation régulière des échantillons et des résultats entre les partenaires français et américains.

StochNet a été un projet particulièrement fructueux, à l'origine de nombreux résultats de premier plan publiés dans des revues internationales à comité de lecture, atteignant et sur plusieurs points dépassant les objectifs initiaux.

Un premier ensemble de travaux a établi le couplage électrique programmable entre jonctions tunnel magnétiques stochastiques, avec une corrélation ajustable continûment de -1 à +1 entre dispositifs. Ce résultat ouvre la voie à des réseaux de dispositifs interagissant de façon contrôlée, condition essentielle pour construire des systèmes de calcul (Gibeault et al., Physical Review Applied 21, 034064, 2024).

La génération de nombres aléatoires de haute qualité a été démontrée à partir d'un oscillateur à transfert de spin verrouillé à deux fois sa fréquence, produisant un flux de bits non biaisé validé par l'ensemble des tests statistiques standards du NIST (Phan et al., Physical Review Applied 21, 034063, 2024).

L'échantillonnage dans le domaine temporel, exploitant la distribution exponentielle des temps de commutation, a été mis en évidence comme primitive de calcul probabiliste originale (Adeyeye et al., Physical Review Applied 23, 044047, 2025). En parallèle, une modélisation de type Langevin pilotée par les données a reproduit fidèlement la dynamique stochastique des dispositifs (Pocher et al., Physical Review Applied 22, 014057, 2024).

L'analyse fine des préfacteurs d'Arrhenius, jusqu'à l'échelle femtoseconde, a démontré une opération dans la gamme nanoseconde, autour de 2,7 ns, repoussant significativement les limites de vitesse et renforçant le potentiel de ces composants pour un calcul rapide et économe en énergie (Soumah et al., Physical Review Applied 24, L011002, 2025).

Ces briques élémentaires ont trouvé un débouché applicatif direct, notamment dans la mise en œuvre de machines d'Ising pour l'optimisation combinatoire, illustrant le passage du dispositif au système (Iftakher et al., Nature Communications 17, 5246, 2026).

Au-delà de ces publications, StochNet a fortement contribué à la formation par la recherche, avec la thèse de Nhat-Tan Phan soutenue à l'Université Grenoble Alpes le 4 février 2025. Le projet a aussi ouvert un axe prospectif inattendu autour de la criticité auto-organisée, aujourd'hui approfondi dans HOBBIT, et consolidé une collaboration franco-américaine durable désormais prolongée dans ASTROCOMP. Ces résultats ont par ailleurs bénéficié d'une forte visibilité internationale, ayant été présentés dans les grandes conférences du domaine (MMM, INTERMAG, APS March Meeting), et laissent un héritage scientifique riche et une dynamique de recherche pérenne.

Les résultats de StochNet ouvrent plusieurs perspectives de recherche prometteuses, au croisement de la physique des nanodispositifs et du calcul non conventionnel.

La direction la plus structurante concerne la criticité auto-organisée. Initiée en fin de projet comme axe prospectif, cette piste vise à exploiter des réseaux de jonctions tunnel magnétiques stochastiques opérant spontanément à la frontière de plusieurs régimes dynamiques, un régime réputé optimal pour le traitement de l'information. Elle constitue le cœur du projet HOBBIT, qui prolonge et approfondit cette approche en vue d'une mise en œuvre matérielle. À la différence des machines d'Ising, qui cherchent à émuler des variantes du hamiltonien d'Ising pour l'optimisation combinatoire, cette voie introduit une physique qui ne dérive pas d'une fonction d'énergie, ouvrant un espace de calcul original.

Un deuxième axe concerne le passage du dispositif isolé à des architectures de calcul intégrées. Le couplage électrique programmable démontré dans StochNet fournit une brique essentielle pour construire des réseaux de dispositifs interconnectés, et il reste à en explorer le passage à l'échelle, l'intégration avec l'électronique de commande et l'apprentissage in situ. La collaboration franco-américaine avec l'University of Maryland et le NIST, désormais prolongée dans le projet ASTROCOMP, offre un cadre privilégié pour développer ces architectures inspirées du cerveau.

Un troisième axe porte sur la versatilité des jonctions tunnel magnétiques au niveau du dispositif. Selon leur géométrie et leurs conditions de fonctionnement, ces composants peuvent adopter un comportement de type neurone ou de mémoire non volatile, ce qui ouvre la voie à des systèmes reconfigurables combinant calcul et stockage au sein d'une même technologie, et répondant ainsi au goulot d'étranglement lié au transfert de données entre mémoire et unités de traitement.

Enfin, la vitesse de fonctionnement dans la gamme nanoseconde démontrée dans le projet, associée à la faible consommation énergétique de ces dispositifs, renforce leur pertinence comme accélérateurs matériels pour l'échantillonnage, l'optimisation et l'inférence probabiliste. Les compétences et résultats acquis dans StochNet continuent d'alimenter plusieurs initiatives structurantes aux échelles nationale, européenne et internationale, assurant la pérennité de cette dynamique de recherche.

L'objectif de ce projet est de développer des jonctions tunnel magnétiques (JTM) à faible barrière d’énergie et compatibles avec les circuits numériques, d’implémenter des circuits hybrides de lecture et de contrôle, et de concevoir des architectures de calcul permettant d'exploiter la nature stochastique de nos dispositifs en tirant parti de divers modèles de calculs probabilistes inspirés de la biologie. Ce projet est motivé par les recherches menées en neurosciences qui mettent en lumière le comportement intrinsèquement stochastique des processus neuronaux. Les JTMs stochastiques étudiées dans ce projet s’obtiennent par de légères modifications du processus de fabrication utilisé pour les JTMs commerciales intégrées et compatible avec les technologies CMOS. Ces jonctions fournissent un substrat naturel pour les modèles de calcul qui nécessitent des variables aléatoires. L'abaissement de leur barrière d’énergie au niveau de la température ambiante place ces dispositifs dans un régime superparamagnétique, où les fluctuations thermiques modifient aléatoirement leur état. Pour exploiter la nature aléatoire de ces dispositifs magnétiques, nous concevrons et testerons des circuits stochastiques à codage fréquentiel et temporel. Sur la base de réalisations expérimentales, nous concevrons des architectures de calculs probabilistes telles que des modèles d’apprentissage à base d’énergie, des modèles d’oscillateurs hors-équilibre ainsi que des modèles temporels exploitant le temps d'arrivée des signaux. Nous tirerons parti de l'expertise croisée de nos collaborateurs qui va de la croissance des matériaux, de la fabrication de dispositifs nanométriques à la conception de VLSI et d'architecture de calcul. Pour combler le fossé entre ces différents domaines, nous développerons des modèles tenant compte des défis pratiques posés par l'intégration des technologies de nouvelle génération tout en étant guidés par des applications qui peuvent de manière efficace tirer parti du caractère aléatoire. Notre projet suit le grand défi neuroscientifique de rétro-ingénierie du cerveau ouvrant la voie vers de nouvelles technologie de calcul. Tel que postulé par les chercheurs et mis en évidence par la nature stochastique des processus neuronaux de base, nous partons de l'idée que la nature probabiliste de l'activité neuronale peut être fondamentale pour la capacité de calcul du cerveau. Notre approche inspirée de la biologie implique différentes disciplines telles que les mathématiques, l'électronique, l'informatique, les sciences des matériaux, la physique et les neurosciences. Dans ce projet, nous allons construire et tester des primitives de circuit qui convertissent le caractère aléatoire inhérent aux JTM superparamagnétiques (SMTJ) en schémas de codage utilisables pour faire du calcul. Nous utiliserons ensuite ces primitives comme éléments constitutifs d'architectures efficaces sur le plan énergétique, fiables et robustes aux variations de conception. La possibilité d'une intégration directe de nos circuits à base de JTMs dans la fabrication commerciale nous fait envisager l'implémentation de réseaux de grande taille composés de dispositifs stochastiques couplés. Ces derniers pourront servir de substrat pour des recherches ultérieures en physique, en calcul de réseau et en processus neuronaux opérant au seuil de phénomènes chaotiques. Les résultats de nos recherches feront progresser les connaissances et la compréhension dans le domaine des technologies émergentes pour des approches de calcul innovantes. La conception de briques de base stochastiques à l'interface numérique, accordables et à faible consommation d'énergie permettra la réalisation physique compacte de réseaux complexes encore peu explorés présentant une dynamique hors-équilibre et un comportement temporel stochastique singulier. Cette compréhension sera importante pour le développement de systèmes de calculs distribués et intelligents à faible coût énergétique.