Vers un numérique plus frugal grâce à l’électronique de spin : entretien avec les co-directeurs du PEPR SPINTRONIQUE
Pouvez-vous nous expliquer en quoi consiste l’électronique de spin ? En quoi diffère-t-elle de l’électronique dite « traditionnelle » ?
Toutes les fonctionnalités nécessaires à l’électronique traditionnelle sont basées sur l’injection, le déplacement et la détection des électrons en utilisant leur charge. La spintronique permet de faire la même chose, mais avec un levier supplémentaire qui est une autre propriété intrinsèque à l’électron : son spin pouvant être imagé comme un petit aimant porté par chaque électron.
Quantique, spintronique : vers de nouvelles technologies du numérique
En fait, la spintronique peut décrire à la fois un domaine de recherche fondamental et un domaine technologique pour le numérique, encore jeune par rapport à l’électronique traditionnelle. La spintronique est née avec la découverte de l’effet de magnétorésistance géante à la fin de années 80 par Albert Fert en France et Peter Grünberg en Allemagne. Cette découverte de recherche a très rapidement débouché sur des développements technologiques qui ont, en quelques années, révolutionné le stockage des données en permettant une augmentation exponentielle des capacités, mais aussi les technologies des capteurs, qui sont aujourd’hui omniprésents dans de nombreux domaines d’applications, tels que l’automobile, le spatial ou la santé pour ne citer qu’eux.
Quelles sont les grandes ambitions de votre programme de recherche ?
Le PEPR SPINTRONIQUE, et plus généralement la communauté spintronique, ambitionne aujourd’hui de s’appuyer sur de nouvelles ruptures scientifiques dans ce domaine scientifique encore jeune, pour proposer plusieurs voies de développement de nouveaux composants, pour des dispositifs qui soient très peu énergivores mais aussi plus reconfigurables dans le but d’améliorer leur efficacité et performance à coût énergique égal.
En effet, à l'horizon 2030, les prévisions estiment que le monde numérique sera responsable de 20 à 30 % de la consommation mondiale d'électricité, avec un impact environnemental conséquent appelant un changement de paradigme. Il nous apparaît donc indispensable de considérer la frugalité énergétique des futurs dispositifs numériques comme un critère majeur de performance, au même titre que leur puissance de calcul, leur vitesse, leur miniaturisation ou leur coût.
Quels sont les secteurs qui pourraient être transformés par la spintronique ? Auriez-vous quelques exemples concrets, notamment dans les domaines des technologies de l’information, de la sécurité/défense, de l’aérospatial, de l’énergie et de la santé ?
Les composants spintroniques envisagés sont de plus facilement intégrables puisqu’ils reposent sur des matériaux et des systèmes compatibles avec les technologies existantes à base de semi-conducteurs. Ainsi, on peut présenter ces futurs composants comme étant hybrides spintronique-CMOS (Complementary metal oxide semi-conductor) ou bien beyond CMOS pour les plus avancés. Dans les deux cas, ils sont d’intérêt pour des domaines tels que le calcul, le stockage d’informations, les capteurs intelligents ou la logique reprogrammable.
Quelques exemples concrets. Le premier concerne le domaine des contrôles sécurité et celui de la montée en fréquence (et donc la rapidité) des technologies de communication e.g., 6G et au-delà. Les propriétés de dynamique ultra-rapide de dispositifs spintroniques permettent d’adresser de manière unique une bande de fréquence dans le domaine des térahertz, aujourd’hui difficilement accessible avec les solutions composants existants.
Un autre exemple concret est la communication sans fil et le calcul en périphérie qui sont deux des éléments essentiels de nombreuses applications dans l’Internet des Objets (IoT en anglais). La croissance exponentielle du nombre d’objets connectés fait que les principaux enjeux de ces réseaux de capteurs intelligents sont l'autonomie des nœuds de capteurs individuels en termes d'énergie, la transmission sécurisée des données mais aussi le prétraitement efficace des signaux des capteurs qui varient rapidement dans le temps. En s’appuyant sur les propriétés de dynamiques multifonctionnelles et non linéaires de nano-dispositifs spintroniques, un des apports importants de la spintronique serait de pouvoir intégrer dans les systèmes des nouveaux concepts basse consommation pour la récupération d’énergie radiofréquence ambiante, le cryptage des données et de la communication sans fil plus sécurisées.
Dernier exemple, la volonté d’utiliser les ondes de spin et les courants de spin qui les accompagnent comme nouveau support de traitement de l’information. Ce domaine pourrait aboutir à des dispositifs de logique et de calculs à faible coût énergétique.
Pouvez-vous expliquer comment les systèmes hybrides spintroniques-CMOS peuvent s’intégrer aux technologies liées à l’intelligence artificielle ou aux technologies quantiques ?
Un projet du PEPR portera sur l’utilisation de nouvelles textures topologiques magnétiques. Celles-ci pourraient servir au développement de composants neuromorphiques, c'est-à-dire qui intégreront directement de l’intelligence artificielle. Cela pose des défis en termes de matériaux, de fabrication et de conception. Un autre projet visera à amener de nouvelles solutions aux capteurs spintroniques existants pour les rendre davantage multifonctionnels, plus autonomes et qu’ils puissent s’auto-calibrer. Cela ouvrira la voie à de nouvelles mesures actuellement impossibles. Le développement de mémoires non volatiles combinant vitesse du processeur (GHz), endurance quasi-infinie et densité supérieure à celle de la mémoire SRAM (mémoire vive statique ) est une étape cruciale vers des plateformes de calcul plus performantes et plus économes en énergie. Les mémoires magnétiques à accès aléatoire (les MRAMs) présentent les caractéristiques et atouts nécessaires pour combler le fossé qui sépare actuellement les NVMs (mémoires non volatiles : mémoires informatiques qui conservent les données en l'absence d'alimentation électrique) de la mémoire proche des unités de calcul.
En s’appuyant sur les propositions originales des équipes du consortium EMCOM du PEPR électronique dans les domaines des composants matériels et logiciels pour de nouveaux paradigmes de calcul et de nouvelles architectures, le projet aura pour ambition de faire émerger et progresser des solutions innovantes pour le calcul embarqué à faible consommation énergétique. Enfin, le fonctionnement des MRAM à des températures cryogéniques offre des solutions pertinentes pour la lecture et le contrôle des qubits dans le monde quantique, comme étudié actuellement dans le cadre du projet ciblé PRESQUILE du PEPR Quantique.
De manière plus prosaïque, quels pourraient être les impacts potentiels dans la vie quotidienne à moyen ou long terme ?
La « numérisation » de notre quotidien, avec la croissance exponentielle des objets connectés IoT et l'assistance de l'IA dans nos prises de décision, est le moteur de la recherche et du développement dans le domaine de l'information et de la communication. L'un des enjeux majeurs pour nos sociétés, et de fait pour notre PEPR, est d'articuler ces transformations profondes avec des innovations frugales en énergie et agiles (multifonctionnelles) en matière de numérisation, afin qu'elles soient compatibles avec les enjeux environnementaux, ce qui n’est pas le cas avec les technologies existantes !
Depuis son avènement au début des années 1990, la spintronique a permis le développement de technologies et d'applications de rupture présentant des caractéristiques remarquables en termes de consommation d'énergie, de non-volatilité et d'intégrabilité. Ces dispositifs sont aujourd'hui viables et des solutions sont intégrées au niveau industriel dans les technologies de l'information telles que le stockage de données, les capteurs ou, plus récemment, les mémoires non volatiles.
Grâce au soutien de nouvelles recherches et avancées scientifiques en spintronique, basées sur des découvertes scientifiques récentes et obtenues en grande partie par des équipes françaises qui font toutes partie de PEPR SPIN, l’objectif du programme est de développer à moyen terme des perspectives entièrement nouvelles pour les applications nomades, l'IoT, les télécommunications, la logique reprogrammable, l'informatique non conventionnelle pour des applications dans l'énergie, l'espace, la sécurité ou encore la santé.
Les principaux verrous scientifiques et techniques du programme SPINTRONIQUE
Le PEPR SPIN vise à accompagner un nouveau cycle d’innovations à travers des thèmes émergents extrêmement prometteurs. Quelques exemples sont :
1) Spin-orbitronique : vers des applications « beyond CMOS » : en s’appuyant sur l’interaction relativiste dite spin-orbite et grâce à des phénomènes efficaces d'interconversion charge-spin et/ou de contrôle en tension des propriétés magnétiques, cette thématique émergente permet d’envisager le développement d’une nouvelle génération de composants spintroniques avec une très grande efficacité énergétique, des processus d’écriture-lecture ultrarapides et une densité d’information augmentée. L’enjeu du PEPR SPIN sera de parvenir à maîtriser de nouvelles hétérostructures présentant des propriétés quantiques et/ou topologiques et de tirer profit d’effets physiques nouveaux pour imaginer de nouvelles architectures de dispositifs et systèmes basse consommation.
2) Electromagnétisme du visible au THz : l’interaction lumière-matériau spintronique permet d’envisager des opportunités applicatives novatrices dans le domaine du contrôle non destructif (spectroscopie, imagerie), de la photonique et/ou de la technologie CMOS ultrarapide intégrée. L’enjeu de SPIN sera de comprendre les effets physiques en jeu et de les optimiser dans de nouvelles hétérostructures pour développer des dispositifs agiles.
3) Magnonique - ondes de spin pour le traitement de signal : basée sur les propriétés des excitations magnétiques dans des nanostructures, la magnonique permet de transmettre et traiter des informations avec des avantages en termes de compacité et de consommation énergétique, avec des applications concrètes pour le traitement de l’information ou de signal analogique (5G ou 6G). Un enjeu pour le PEPR SPIN sera l’optimisation de la génération, propagation et détection des magnons impliquant notamment des développements matériaux et innovations conceptuelles pour s'affranchir de certains verrous physiques et technologiques.
Enfin, il est importer de noter que les concepts de la spintronique se sont récemment ouverts à une large palette de nouveaux matériaux et interfaces comme par exemple des oxydes magnétiques ultraminces, matériaux 2D et isolants topologiques, couches moléculaires, antiferromagnétiques, multiferroïques, qubits de spin intriqués, supraconducteurs etc. Un des objectifs importants du PEPR SPIN sera d’une part d’alimenter à partir de ces nouveaux matériaux hybrides les thématiques scientifiques émergentes du programme et d’autre part de continuer à faire émerger de nouveaux champs de pertinence de la spintronique.
A presque un an du lancement du programme, quels travaux avez-vous d’ores et déjà pu initier ?
Le programme du PEPR SPIN a été construit autour de cinq projets phares collaboratifs sur des thématiques à la pointe en spintronique et qui présente de forts potentiels de développements applicatifs. Ces cinq projets CHIREX (textures de spin pour le beyond-CMOS) , TOAST (vers des technologies THz spintroniques, SWING (Traitement du signal avancé utilisant les ondes de spin), SPINCOM (Spintronique rf pour les communications intelligentes) et ADAGE (Capteurs magnétiques augmentés) ont tous démarré en novembre 2023, avec pour ambition que les avancées et développements intègrent les stratégies nationales en électronique bien sûr, mais également en composants pour l’IA ou encore en technologie quantique.
Le PEPR SPIN comprend trois plateformes, également lancées en novembre 2023, qui ont pour objectif de renforcer un réseau d'infrastructures de recherche accessibles à tous. Ces trois plateformes sont dédiées aux matériaux avancés (SPINMAT), à la caractérisation avancée (SPINCHARAC) ainsi qu'à la théorie et à la modélisation multi-échelle (SPINTHEORY).
Dans le but de dynamiser ce programme initial en intégrant de nouvelles pistes pour optimiser l’impact du PEPR et apporter de nouvelles opportunités, un premier appel à projets a été lancé en mars 2024. Les projets retenus pour cet appel par un comité d’évaluation constitué d’experts sont connus, mais à ce jour en attente d’une décision du premier ministre, pour intégrer la stratégie globale du PEPR SPIN.
Par ailleurs, en complément de ces projets et plateformes spintroniques, nous avons depuis le lancement du programme mis en place des actions sur la formation en spintronique, sur le développement des liens à l’international, sur la médiation scientifique et sur la valorisation et les liens industriels, avec entre autres l’organisation de cette première journée industrielle du PEPR SPIN.
Dans l’écosystème des programmes de recherche de France 2030, quelles sont vos interactions et vos projets transversaux en lien avec d’autres PEPR ?
Nous envisageons de servir de tremplin à des innovations qui pourraient être exploitées dans le cadre de différents PEPR des stratégies d'accélération (SNA) et donc être intégrées dans la stratégie nationale de ces différents domaines. On peut naturellement mettre en avant les liens forts avec le PEPR Électronique, dans lequel un des projets ciblés concerne le développement de mémoire avancée basé sur des solutions spintronique, mais également dans les PEPR Quantique, IA, ou encore Réseaux du futur. Des échanges et interactions ont eu lieu avec les porteurs de ces différents programmes, entre autre par des participations croisées aux journées annuelles de ces PEPR. En plus de ces liens avec des PEPR SNA, nous avons établi depuis le lancement des connections avec les PEPR Exploratoires Interaction lumière – matière (LUMA) et Matériaux émergents (DIADEM), avec pour ce dernier un axe intitulé « Matériau pour la spintronique » dans le deuxième appel à projet ouvert.
À terme, l’ambition du PEPR SPIN est d’apporter des études comparatives de nos nouvelles approches par rapport à l’existant – une étape essentielle en vue de susciter l’intérêt de potentiels industriels existants. Notre objectif ultime sera d’intégrer nos développements, et plus largement la spintronique, dans la micro-nanoélectronique européenne en soutien à son renouveau industriel et à sa souveraineté.
La première journée industrielle du PEPR aura lieu le 28 novembre 2024 à Grenoble. En quoi consistera-t-elle ?
La première « journée industrielle » du PEPR SPIN rassemblera des acteurs industriels allant des fournisseurs de matériaux aux concepteurs de systèmes et aux équipementiers. Cet événement, réunissant chercheurs, entrepreneurs et industriels, offrira une occasion privilégiée d’échanger sur les avancées technologiques, les tendances du marché en France et les perspectives de développement. Plus encore, nous espérons y dégager des pistes concrètes pour accélérer l’industrialisation et l’intégration sociétale de la spintronique.
A l’agenda de cette journée : un panorama des débouchés récents et potentiels pour des nouvelles innovations, les tendances du marché et technologiques, des retours d’expériences des concepteurs de circuits industriels, une présentation de l’offre en spintronique d’une grande fonderie CMOS, des opportunités pour les fournisseurs d’équipements, la place de la spintronique dans les lignes pilotes européennes, une session nouveaux composants spintroniques et enfin, une table ronde qui permettra de débattre des obstacles et des leviers pour renforcer le leadership français dans ce domaine.
En savoir plus :
La page du PEPR Spintronique sur le site de l’ANR
Qu’est-ce que la spintronique ? - cea.fr
