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La mémoire se rend universelle

Publié le

Pour contourner les limites des mémoires actuelles, les fabricants de semi-conducteurs mettent au point des modèles d'un nouveau type, capables de s'intégrer aussi bien aux ordinateurs qu'aux appareils photo numériques et aux baladeurs MP3. Applications c

La mémoire se rend universelle

Lassé d'attendre plusieurs secondes pour enregistrer une photo sur son téléphone mobile ? Fatigué de patienter une bonne minute avant que son ordinateur ne s'allume ? Ces délais, dus aux limites des mémoires utilisées, vont bientôt disparaître. Ou en tout cas fortement se réduire. Après plus de dix ans de recherche, les fabricants de semi-conducteurs s'approchent de la mémoire idéale. Une mémoire rapide et robuste, comme la Dram (Dynamic Random Acces Memory) classique d'un ordinateur, mais capable également de garder les informations quand elle n'est plus alimentée, telle la Flash d'un baladeur MP3 ou d'un téléphone mobile. Une mémoire universelle, en somme, qui pourrait même remplacer les disques durs.

Souvent concurrents, parfois alliés, les industriels suivent aujourd'hui trois pistes principales. La première, la plus avancée, concerne les mémoires ferroélectriques, dites Fram (Ferroelectric Random Acces Memory). Lancées par l'américain Ramtron, elles reprennent la structure des mémoires Dram, avec des cellules de base composées de transistors et de condensateurs. A la différence que les Fram sont fabriquées à partir d'un matériau cristallin de type PZT (plomb, zirconium et titane) et non à partir du classique oxyde de silicium. Le principal intérêt du PZT est de se polariser lorsqu'il est soumis à un champ électrique. Selon la direction de cette polarisation, on peut alors attribuer la valeur « 0 » ou « 1 » à une cellule. Avantage, la polarisation reste fixe lorsque le champ électrique est supprimé. Autrement dit, comme les mémoires Flash des téléphones mobiles, les mémoires Fram sont non volatiles. Leur autre intérêt est de s'avérer aussi rapides que leurs concurrentes Dram.

Parfaites, alors ? Pas tout à fait. Leur défaut tient à leur structure. La polarisation est obtenue grâce au déplacement d'un atome libre qui monte, ou descend, à l'intérieur du cristal. Résultat, des frottements apparaissent à chaque cycle de lecture-écriture et limitent l'endurance de la mémoire. Et ce d'autant plus, qu'après chaque lecture, l'information s'efface et doit être réécrite..

Simplifier la structure des cellules

Pour limiter l'usure mécanique, les fabricants tentent de simplifier la structure des cellules. Ramtron a ainsi réussi à en développer qui ne contiennent plus qu'un transistor et un condensateur, au lieu de deux auparavant. En octobre dernier, l'américain a ainsi pu présenter une mémoire de 64 kilobits destinée au marché de l'électronique grand public.

Un marché de plus de 49 milliards de dollars en 2007

  • La mémoire universelle remplacerait à la fois les Dram (dont les ventes frôleront les 30 milliards de dollars cette année, selon iSuppli) et les Flash (19 milliards de dollars en 2007).
  • En 2015, le marché mondial atteindrait 75 milliards de dollars.
La deuxième voie de recherche - moins aboutie mais plus prometteuse - concerne les mémoires magnétiques (Mram). Cette fois, la structure n'a plus rien à voir avec celle des mémoires existantes. Le coeur d'une cellule Mram est composé de deux électrodes en matériau magnétique, séparées par un isolant. Lorsque les polarisations des électrodes sont dans le même sens, leur résistance électrique est très faible. C'est l'état « 0 ». A l'inverse, quand les polarités sont inversées, la résistance électrique augmente. C'est l'état « 1 ». Pour lire l'état d'une mémoire Mram, il suffit donc d'envoyer un courant au travers des électrodes et de mesurer leur résistance électrique.

La phase d'écriture, elle, est plus complexe. Les fabricants de Mram, comme Samsung, Intel ou STMicroelectronics, ont encastré les électrodes entre des lignes conductrices. Perpendiculaires, ces lignes forment une matrice en se croisant au niveau de chaque cellule de la puce mémoire. Pour changer l'état de l'une d'elles, et passer par exemple de « 0 » à « 1 », un courant est envoyé dans les deux lignes conductrices correspondant à la cellule. Un champ magnétique est alors généré à l'endroit précis où les lignes se croisent et modifie la polarité des électrodes. L'état de la cellule bascule.

A l'inverse des Fram, les mémoires magnétiques ne subissent pas de frottements mécaniques et affichent une durée de vie théorique illimitée. Elles sont, en outre, rapides et non volatiles. Alors, pourquoi n'ont-elles donc pas inondé le marché ? Avant tout, parce que les ingénieurs ont longtemps eu du mal à maîtriser la phase d'écriture. « Le problème est qu'en changeant l'état d'une cellule, on risque de changer également celui de la cellule voisine », explique Andreas Wild, le directeur de la recherche et développement de Freescale en Europe.

Changer la procédure d'écriture

Le fondeur américain a fini par trouver la solution. D'abord en utilisant des matériaux magnétiques plus stables. Mais surtout en changeant la procédure d'écriture. Pour modifier l'état d'une cellule, il faut désormais envoyer deux impulsions électriques. « La première ne fait basculer que de moitié la direction de la polarisation. Il faut envoyer la deuxième pour changer d'état », explique Andreas Wild. Résultat, si la direction de polarisation d'une cellule est modifiée par erreur, elle ne basculera pas totalement, mais bougera légèrement avant de revenir à son état initial.

Plusieurs prototypes ont été présentés

Désormais stabilisées, les mémoires Mram commencent à sortir des laboratoires. Alors qu'IBM et Infineon ont présenté plusieurs prototypes, Free- scale commercialise depuis juillet dernier un modèle de 4 mégabits. Les premières applications visées sont l'automobile et l'aérospatiale, où les données critiques des capteurs doivent être enregistrées en continu et ne pas s'effacer si le système n'est plus alimenté. Sécurité oblige.

Dernières prétendantes au titre de mémoires universelles, les mémoires à changement de phase (PCM) remplissent aussi les deux conditions de non volatilité et de robustesse. Leur principe repose sur la capacité de certains matériaux à changer de structure lorsqu'ils sont chauffés. En l'occurrence un alliage d'antimoine et de germanium. Soumis à un courant électrique, ce matériau perd son caractère cristallin sous l'effet de la chaleur et passe dans un état dit amorphe ou désordonné. Ce dernier offre alors une grande résistivité - c'est l'état « 1 ». Une simple impulsion électrique lui redonne son caractère cristallin. Sa résistivité est alors quasi-nulle - c'est l'état « 0 ». Pour lire l'état d'une cellule, il suffit donc de faire circuler un courant et de déterminer la résistance électrique.

Rapides et résistantes, les mémoires à changement de phase attirent de plus en plus d'industriels. Mi-janvier, l'allemand Qimonda, une filiale d'Infineon, a annoncé un accord de licence avec la start-up américaine Ovonyx, qui a développé la technologie. Qimonda s'est également associé à IBM et Macronix. En décembre 2006, ils ont présenté un prototype 500 fois plus rapide qu'une mémoire Flash. Fiable, celui-ci serait en outre très peu gourmand en énergie.

Signe de l'effervescence qui entoure ces mémoires d'un nouveau type, Samsung vient lui aussi de présenter un prototype d'une capacité de 512 mégaoctets. Confiant, le fondeur coréen compte le commer- cialiser en 2008. Les ordinateurs vont bientôt s'allumer instantanément.

Luc Mathieu

Trois technologies s'affrontent

La mémoire ferroélectrique (fram)

Lorsque le champ électrique est appliqué au cristal, l'atome libre se déplace et le polarise. Cette polarisation traduit la valeur « 1 » ou « 0 ».

Les avantages

  • La non-volatilité. L'information reste stockée lorsque la mémoire n'est plus alimentée
  • La rapidité d'écriture/lecture

Les points faibles

  • Une usure rapide
  • Le coût

Les industriels en lice

La mémoire magnétique

En activant le transistor, un courant est envoyé dans la cellule mémoire et oriente les polarités des deux électrodes dans des sens opposés (état « 1 ») ou dans le même sens (état « 0 »). En mode lecture, on envoie un courant électrique à travers la cellule pour mesurer sa résistance. Celle-ci sera élevée à l'état « 1 » et faible à l'état « 0 ».

Les avantages

  • La fiabilité : pas d'usure lors des lecture/écriture
  • La non-volatilité

Les points faibles

  • Une consommation d'énergie élevée

Les industriels en lice

  • Freescale, Samsung, Intel, STMicroelectronics

La mémoire à changement de phase (PCM)

Sous une impulsion éléctrique, l'alliage perd son état cristalin et passe à l'état amorphe. Il offre alors une plus grande résistance lorsqu'il est traversé par un courant électrique (mode lecture).

Les avantages

  • La rapidité d'écriture/lecture
  • Une faible consommation d'énergie

Les points faibles

  • Une industrialisation complexe

Les industriels en lice

  • Ovonyx, Samsung, Qimonda, Micronix, Hitachi, Renesas, Intel, STMicroelectronics

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