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INFORMATIQUELa magnétorésistance géante " booste " le disque durLes derniers nés des disques durs lancés par IBM utilisent des têtes à effet magnétorésistif géant. Cette technologie, fruit d'années de recherche, permet de multiplier par huit les capacités moyennes actuelles des disques durs.

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INFORMATIQUE

La magnétorésistance géante " booste " le disque dur

Les derniers nés des disques durs lancés par IBM utilisent des têtes à effet magnétorésistif géant. Cette technologie, fruit d'années de recherche, permet de multiplier par huit les capacités moyennes actuelles des disques durs.



Souvenez-vous : c'était en 1993, il y a seulement quatre ans, et la capacité moyenne d'un disque dur de micro-ordinateur était de 200 mégaoctets. Une misère ! Aujourd'hui, le moindre PC familial dispose de plus de 1 gigaoctet de mémoire de stockage. Et ce n'est pas fini. Pour faire face à l'inflation des logiciels et des données, les disques durs vont encore nous étonner. Depuis des années, leur capacité s'accroît de 60 % par an. Or, cette tendance n'est pas près de s'infléchir, car un saut technologique va repousser encore les limites du stockage magnétique. En effet, IBM vient d'annoncer un disque de 3,5 pouces de 16,8 gigaoctets, soit huit fois la capacité moyenne disponible sur un ordinateur de bureau actuel. Cette performance est directement liée à une nouvelle génération de têtes de lecture, beaucoup plus sensibles, qui permet d'augmenter considérablement la densité des informations sur le disque. Ce qui signifie que chacun pourrait avoir sur son bureau, d'ici à trois ans, un ordinateur offrant quelque 60 gigaoctets de mémoire de stockage ! A l'origine de la nouvelle génération de disques durs, un phénomène physique découvert il y a une dizaine d'années, simultanément par des équipes de recherche française et allemande : l'effet magnétorésistif géant, baptisé en anglais GMR (" giant magneto-resistance "). L'effet magnétorésistif était déjà bien connu des fabricants de disques durs. La plupart des disques vendus aujourd'hui sont équipés de têtes magnétorésistives, constituées d'un matériau dont la résistance change sous l'effet d'un champ magnétique. C'est ainsi que sont détectés les bits d'informations enregistrés magnétiquement sur le disque. L'effet GMR, comme son nom l'indique, reprend le même principe, mais à une autre échelle. Alors que l'effet magnétorésistif engendre des variations de résistance de 1 à 2 %, le GMR peut faire varier la résistance du matériau de 50 % ! D'où l'idée de l'utiliser pour détecter des champs magnétiques très faibles, tels que ceux créés par de minuscules bits d'informations, sur des disques durs de plus en plus denses.

Une course à la capacité de stockage

Selon les experts d'IBM, les têtes magnétorésistives, qui, depuis 1991, ont permis une croissance très rapide de la capacité des disques, seront de toute façon limitées à une densité maximale de 5 gigabits par pouce carré. Avec les têtes GMR, la densité pourra atteindre prochainement 10 gigabits par pouce carré (elle est de 2,6 gigabits par pouce carré sur les disques annoncés aujourd'hui). Mais, de la découverte du phénomène physique à la sortie du premier disque dur équipé d'une tête GMR, il aura fallu presque dix ans. Car le principe a beau être proche de celui des têtes magnétorésistives, la mise au point d'un dispositif industrialisable n'avait rien d'évident. Le schéma de base d'un système GMR est simple : il est constitué de couches de matériau magnétique, séparées par des couches non magnétiques. Quand les couches magnétiques sont magnétisées dans la même direction, la résistance électrique de l'empilement est faible. Quand elles sont magnétisées de manière antiparallèle, la résistance est forte. Pour obtenir un capteur à effet GMR utilisable industriellement, les spécialistes du disque dur devaient résoudre deux grands problèmes : le procédé de fabrication et l'obtention du phénomène pour de faibles champs magnétiques. " Les matériaux utilisés sont des nanostructures obtenues par empilement de couches de quelques atomes d'épaisseur ", explique Albert Fert, l'un des découvreurs de l'effet GMR, au sein d'un laboratoire commun Université Paris-Sud/Thomson-CSF. Tout d'abord, il s'agissait de trouver une méthode de fabrication rapide et peu coûteuse. Les premiers dispositifs réalisés en laboratoire, avec des couches de quelques angströems, donnaient un très fort effet magnétorésistif. Mais ils étaient fabriqués par épitaxie, une méthode lente et relativement chère. Au centre de recherche d'Almaden, en Californie, les chercheurs d'IBM ont voulu s'affranchir d'une technique trop lourde pour cette industrie. Ils ont alors essayé d'obtenir des effets GMR en empilant les couches par " sputtering ". Une méthode classiquement mise en oeuvre dans la production de disques durs. Et cela a marché !

Une nouvelle transition se prépare

Les chercheurs d'IBM ont également testé plusieurs matériaux entrant dans la composition des couches, afin que le basculement d'un état magnétique à un autre n'exige pas de champ magétique trop élevé. Finalement, une composition optimale des couches a été choisie, avec laquelle IBM a mis au point un dispositif baptisé " spin valve ", qui assure la détection des bits d'information sur le disque. C'est un arrangement aussi simple que possible qui a été retenu : deux couches magnétiques, séparées par une couche qui assure un faible couplage entre leurs états magnétiques. L'orientation de l'une des couches actives est " forcée ", en ajoutant au dispositif une couche fortement antiferromagnétique. En l'absence de champ magnétique extérieur, la deuxième couche magnétique s'aligne sur la couche " forcée ". Mais si un bit d'information vient à passer sous elle (quand le disque tourne sous la tête), l'orientation magnétique de la couche libre est déviée, provoquant un effet GMR, c'est-à-dire une variation de la résistance électrique, aussitôt détectée. L'empilement sélectionné par IBM a aussi pour qualité d'être stable chimiquement : pas question de voir ses propriétés se dégrader au cours de la vie du disque dur. Pour le moment, IBM est le seul fabricant de disques à avoir annoncé un produit à base de GMR. Sa disponibilité est prévue pour décembre. Certains constructeurs de micro-ordinateurs, comme Dell et IBM lui-même, devraient rapidement en intégrer dans leurs machines. Et il est certain que les grands du stockage magnétique, comme Seagate et Quantum, adopteront la technologie GMR pour atteindre de plus grandes densités d'enregistrement. Une nouvelle transition se prépare donc, comparable à celle qui, depuis 1991, a progressivement remplacé les têtes inductives par des têtes magnétorésistives. Mais la nouvelle génération de têtes ne suffira pas pour créer des disques de très grandes densités. Le support d'enregistrement des informations (le plateau du disque), la réduction de la distance entre la tête et ce plateau, l'équilibrage des plateaux, et l'électronique de transfert des données sont aussi des éléments clés dans la course à la capacité de stockage. Moyennant quoi, IBM prévoit déjà qu'une technologie " advanced GMR " permettra d'atteindre une densité d'enregistrement de 50 gigabits par pouce carré en l'an 2005.





D'autres applications ?

Pour l'instant, les disques durs semblent la seule application de l'effet GMR promise à un marché de masse. L'enregistrement sur bande magnétique pourrait être un autre débouché. Philips a utilisé des têtes magnétorésistives dans ses lecteurs de cassettes numériques DCC. Passer au GMR permettrait de réduire la consommation des appareils portables. Des capteurs pour l'automobile ont été mis au point (c'est même le premier produit à base de GMR, commercialisé dès 1993). Mais, pour Albert Fert, le grand effort de recherche porte aujourd'hui sur la fabrication de mémoires MRAM (Magnetic RAM), c'est-à-dire de mémoire centrale d'ordinateur basée sur l'effet GMR, et qui aurait pour principal avantage d'être permanente (de ne pas s'effacer en l'absence de courant électrique). La défense et le spatial sont principalement intéressés : les dispositifs utilisés sont insensibles aux radiations.





USINE NOUVELLE N°2619

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