06/07/2011 - L'avenir des ordinateurs se trouve dans les puces magnétiques.

Menéame

Une équipe de scientifiques de l’Université de Californie à Berkeley a publié une étude qui montre que l’avenir des ordinateurs sera lié aux puceaux magnétiques, car ils sont capables de consommer la moindre quantité d’énergie autorisée par les lois de la physique. À Elena Figueras.

Aujourd'hui, les puces à puces de silicium fonctionnent par des courants électriques ou des électrons qui se déplacent en générant une grande quantité de chaleur résiduelle. Cependant, les puces qui utilisent des barres magnétiques de taille nanométrique pour la mémoire, la logique et les opérations de commutation pourraient fonctionner sans le besoin d’électrons en mouvement.

Réduction de la consommation

Ces puces consommeraient ainsi le minimum d’énergie autorisé par la deuxième loi de la thermodynamique, ce qu’on appelle la " limite de Landauer ," ou ce qui est le même, un million de fois moins d’énergie par opération que les ordinateurs actuellement consommés, selon un communiqué publié par l’Université de Californie à Berkeley.

L’un des auteurs de la présente étude, Brian Lambson, étudiant diplômé du Département de l’ingénierie électrique et informatique, explique dans ce communiqué les avantages des puces magnétiques: "Aujourd'hui, les ordinateurs fonctionnent avec l’électricité; en déplaçant les électrons dans un circuit, on peut traiter l’information. Un équipement magnétique, au contraire, ne comporte pas d’électrons en mouvement, mais peut stocker et traiter l’information en utilisant les aimants. Si ces aimants de très petite taille sont fabriqués, ils peuvent être placés très ensemble pour interagisser entre eux. C’est ainsi que nous sommes en mesure de calculer, mémoriser et réaliser toutes les fonctions d’un ordinateur."

Lambson travaille au développement d’ordinateurs magnétiques avec son professeur Jeffrey Bokor, qui codirige le Centre pour l’efficacité énergétique de la science électronique (E3S), une institution scientifique et technologique fondée l’année dernière avec une subvention de 25 millions de dollars provenant de la Fondation nationale de la science des États-Unis.

Bokor soutient qu’il est possible de créer des circuits réels qui fonctionnent bien à la limite de Landauer, ce qui représente une réduction considérable de la consommation d’énergie pour l’électronique. "Ce serait absolument révolutionnaire," affirme-t-il. Ainsi, l’un des objectifs du centre qu’il codirige est la construction d’ordinateurs opérant à la limite de Landauer. Lambson, Bokor et un autre étudiant de Berkeley, David Carlton, ont publié un article sur leurs analyses dans le magazine Physical Review Letters.

La théorie de Landauer

 Il y a cinquante ans, Rolf Landauer a utilisé la théorie de l’information pour calculer l’énergie minimale d’une opération logique, comme une opération AND et OR, selon la limitation imposée par la deuxième loi de la thermodynamique (dans une porte logique standard avec deux entrées et une sortie, une opération END produit une sortie lorsque deux entrées positives sont disponibles, tandis qu’une opération OR produit une sortie quand une ou les deux entrées sont positives.) Cette loi établit qu’un processus irréversible, comme une transaction logique ou la suppression d’un bit d’information, dissipe l’énergie qui ne peut être récupérée. En d’autres termes, l’entropie de tout système fermé ne peut pas diminuer.

Dans les électrons d’aujourd'hui, cette limite est bien inférieure à d’autres pertes d’énergie qui génèrent de la chaleur, principalement à travers la résistance électrique des électrons en mouvement. Cependant, des chercheurs comme Bokor essaient de développer des équipements qui ne dépendent pas des électrons en mouvement pour pouvoir ainsi se rapprocher de la limite de Landauer.

Les tests de Lambson et Bokor

 L’équipe de l’Université de Californie a décidé de tester théoriquement et expérimentalement la limitation de l’efficacité énergétique d’un circuit magnétique logique simple et d’une mémoire magnétique. Pour ce faire, ils ont utilisé des nanoaimants d’environ 100 nanomètres de large et environ 200 nanomètres de long. Étant donné qu’ils ont la même polarité nord-sud d’un aimant, l’orientation vers le haut ou vers le bas peut être utilisée pour représenter les 0 et 1 de la mémoire d’un ordinateur binaire. En outre, lorsque des nanoaimants multiples se joignent, leurs pôles nord et sud interagissent en permettant des opérations de logique simple.

Grâce à une série de calculs et de simulations par ordinateur, Lambson a montré qu’une opération simple de mémoire peut être effectuée avec une dissipation d’énergie très proche, sinon identique, de la limite de Landauer.

Une simple opération logique magnétique a ensuite été analysée. La première démonstration réussie d’une opération logique utilisant des nanoparticules magnétiques a été obtenue en 2006 grâce au travail de chercheurs de l’Université Notre-Dame. L’équipe a alors construit une porte logique à trois entrées avec 16 nano-aimants. Lambson a maintenant calculé qu’un tel calcul permettrait également de dissiper l’énergie dans la limite de Landauer. La limite de Landauer étant proportionnelle à la température, les circuits à basse température seraient encore plus efficaces.

Pour l’instant, les courants électriques utilisés pour générer un champ magnétique pour effacer ou modifier la polarité des nanoaimants dissipent une grande quantité d’énergie. Dans un contexte approprié, les nouveaux matériaux rendraient les courants électriques inutiles, sauf peut-être pour transmettre des informations d’une puce à l’autre.

Cependant, à mesure que les chercheurs se concentrent sur la réduction de la consommation d’énergie, les dispositifs deviennent plus sensibles aux fluctuations aléatoires des effets thermiques et autres bruits. " La technologie magnétique que nous étudions est très intéressante pour la faible consommation d’énergie, mais nous devons maintenant trouver un moyen de la rendre plus compétitive en vitesse, en performance et en fiabilité. Nous devons nous assurer qu’il obtient une réponse correcte chaque fois avec un degré très, très, très élevé de fiabilité," conclut Bokor.

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