En quête de la mémoire universelle

Malgré une recherche intense sur de nouveaux types de mémoires, seules les Flash se sont imposées entre les RAM et les disques durs. Mais les dispositifs existants atteindront bientôt leurs limites, ce qui relance la bataille entre les prétendants à leur succession.

Deux ans après avoir mis au point le memristor, la nouvelle brique de base des circuits électroniques, Hewlett-Packard enfonce le clou. Les HP Labs ont montré que les memristors sont de bons candidats pour produire à la fois des mémoires et des circuits logiques. Le memristor pourrait ainsi devenir un circuit à tout faire, voire damer le pion au transistor !

« Pour continuer à progresser, l'électronique doit jouer sur de nouveaux paramètres, autres que la charge ou la tension, et créer de nouveaux dispositifs et de nouvelles architectures. Le memristor, dont le principe repose sur la variation d'une résistance quand on lui applique une tension électrique, est prometteur à tous ces titres », résume Duncan Stewart, un ancien de HP aujourd'hui au Conseil national de la recherche canadien.

Pour autant, la partie n'est pas jouée. L'industrie annonce régulièrement des candidats au rôle de mémoire universelle, en remplacement des solutions actuelles - principalement DRAM et Flash -, dont les limitations sont contraignantes.

Ainsi, au-delà de la barre des 16 nm, qui est la finesse de gravure visée par de prochaines générations de puces, le coût de miniaturisation des DRAM pourrait être exorbitant. Les mémoires Flash, elles, ont de multiples défauts : courant de réécriture élevé qui endommage progressivement le circuit, lecture lente, fuites et consommation élevée. Et même si les Flash CMOS continuent d'évoluer, la technologie est proche du sommet de la courbe de développement : les progrès seront désormais plus lents.

DES PROMESSES À VÉRIFIER LORS DE L'INDUSTRIALISATION

L'industrie électronique rêve de mémoires non volatiles qui s'affranchiraient des limites actuelles. Mais les difficultés ne manquent pas. « Les technologies qui sortent des laboratoires sont prometteuses, mais le transfert à l'industrie force invariablement à des compromis qui limitent les performances ou les domaines d'applications », souligne Duncan Stewart.

Les chercheurs s'efforcent déjà d'améliorer les performances des nouvelles mémoires apparues récemment sur le marché, les MRAM, les FRAM et les PCM.

Les MRAM, mémoires magnétorésistives qui stockent l'information sous forme magnétique, offrent une densité égale à celle des DRAM et une vitesse supérieure. Mais elles ont aussi leur défaut : durant l'écriture, le champ magnétique induit peut provoquer des erreurs. Du coup, les fabricants, des spécialistes comme Crocus ou Everspin, mais aussi les grands de l'électronique qui s'y intéressent (Hitachi, Nec, Toshiba...), jonglent avec des architectures correctrices qui seront nécessaires pour atteindre des capacités de l'ordre du gigabit. Ce qui leur permet de continuer à progresser. Everspin vient d'annoncer les premières puces MRAM 16 Mbits avec un temps d'accès de 35 nanosecondes, et ses mémoires devraient bientôt voler sur des Airbus A350. Des prototypes à 32 Mbits et 64 Mbits (en gravure 65 nm) existent déjà.

DES MRAM POUR REMPLACER LES FLASH DANS L'AÉROSPATIAL

Les MRAM visent pour le moment le remplacement des SRAM, des FRAM et des Flash de haute performance pour des applications spécialisées comme l'aéronautique et le spatial. Elles disposent d'une bonne marge de progression, notamment avec les MRAM à transfert de spin (STT), qui devraient résoudre le problème de consommation trop élevée en écriture.

Parmi les nouvelles venues, les mémoires ferroélectriques, ou FRAM, ont une longueur d'avance : elles sont sur le marché depuis dix ans, fabriquées notamment par Ramtron. Leur principe évoque celui des DRAM, sauf que la couche diélectrique est remplacée par une couche ferroélectrique, afin de rendre la mémoire non volatile. Économes en énergie, les FRAM sont presque aussi rapides que des DRAM et ont une plus grande durée de vie que les Flash. Mais elles sont coûteuses. Et on s'interroge sur leur potentiel de miniaturisation, car la diminution de la taille des motifs crée un risque de dépolarisation de la couche ferroélectrique. Aujourd'hui, ces mémoires, gravées en 130 nm, plafonnent à 128 Mbits, et leurs progrès sont lents. Elles restent séduisantes, par exemple pour des applications à très basse consommation. Mais elles ne sont plus vraiment dans la course à la mémoire universelle.

Des trois technologies principales en lice, les PCM (mémoires à changement de phase) sont peut-être les plus versatiles. Elles bénéficient aussi du plus fort potentiel d'augmentation de densité. Ainsi, dès 2011, Numonyx commercialisera des puces d'un gigabit, réalisées par une gravure de 45 nm. Ce qui ne les met pas au niveau des mémoires Flash (32 Gbits, gravées en 20 nm, bientôt 10 nm), mais en fera tout de même la seule nouvelle mémoire à s'en approcher.

DES ÉTATS SUPPLÉMENTAIRES POUR UNE CAPACITÉ ACCRUE

Le principe des PCM est fondé sur un verre qui bascule, sous l'action de la chaleur, entre des états amorphe et cristallin, dont les résistivités sont très différentes. Intel et STMicro ont récemment amélioré la technologie avec deux états supplémentaires qui peuvent conduire à une augmentation de la capacité de stockage. Parmi ses défauts : le rôle de la chaleur dans le phénomène, qui exige de maîtriser l'environnement thermique de la mémoire. De plus, la résistance du matériau à l'état amorphe change avec le temps, ce dont il faut tenir compte. Samsung a déjà lancé des puces en production et Numonyx a montré comment améliorer la densité de ses PCM avec une architecture empilée.

Pendant que les MRAM, FRAM et PCM continuent d'évoluer, d'autres principes de mémoire sont à l'étude, qui souvent exploitent des variations de résistance. C'est le cas du memristor introduit par HP (lire l'encadré ci-dessus). On mesure les espoirs que fait naître le nouveau composant de base de l'électronique quand on sait qu'en laboratoire, la taille des memristors taquine les 3 nm et que leur temps de commutation est proche de la nanoseconde. A court terme, sa première application devrait être les mémoires électroniques, composants en pointe en matière de densité mais moins complexes que des circuits logiques.

Enfin, certains n'hésitent pas à imaginer des concepts très novateurs, comme IBM et ses mémoires Racetrack, qui stockent l'information sous forme de domaines magnétiques contigus, que l'on fait glisser rapidement le long d'un nanofil, devant une tête de lecture / écriture. L'objectif est très ambitieux : atteindre les densités de stockage des disques durs à la vitesse des DRAM. Des performances qui ne pourront être atteintes qu'avec des nanofils extrêmement purs, pour que le déplacement des domaines magnétiques ne soit pas bloqué par des impuretés.

LE MEMRISTOR POURRAIT RAFLER LA MISE

Toutes ces technologies promettent miniaturisation, non-volatilité et vitesse élevée de lecture-écriture. Mais l'expérience suggère la prudence... Le memristor ne sera-t-il qu'un énième candidat au rôle envié de mémoire du futur ? Ce qui est sûr, c'est qu'il lui faudra faire des compromis : par exemple, la taille du matériau actif est infinitésimale, mais la connectique associée est soumise aux limites de la lithographie. La création de HP bénéficie toutefois de deux atouts qui pourraient faire mouche. D'une part, sa double capacité à créer des circuits logiques et des mémoires. D'autre part, une structure minimaliste qui augure bien de son potentiel d'industrialisation.