« Si notre technologie FESO arrive sur le marché à l’horizon 2035, son potentiel de décarbonation est à hauteur de 100 millions de tonnes de CO2 par an », estime Jean-Philippe Attané, professeur à l’université Grenoble-Alpes. Socle de cette technologie, le composant FESO, pour ferroelectric-spin-orbit, promet en effet de diviser d’un facteur 1000 la consommation énergétique des puces informatiques. A tel point qu’il est candidat au remplacement du transistor, monument de la microélectronique.
Son industrialisation est l’objectif de la deeptech Nellow, mise en lumière au moment du lancement du PEPR Spin, le lundi 29 février 2024. Hébergée et soutenue par le CEA à Grenoble, accompagnée par BPI France, cette jeune pousse n’a même pas encore été créée, une étape prévue en septembre prochain.
Elle compte déjà une vingtaine de personnes cependant, dont ses trois cofondateurs : Jean-Philippe Attané, qui occupe le poste de PDG, Manuel Bibes, directeur de recherche au CNRS et désigné directeur scientifique, et Laurent Vila, directeur de recherche au CEA, avec le rôle de directeur technique.
Quinze années de recherche
« Le composant FESO est le fruit de 15 années de recherche collaborative entre le laboratoire Spintec (CNRS/CEA/université Grenoble-Alpes) et le laboratoire Albert Fert (CNRS/université Paris-Saclay/Thales), développe Jean-Philippe Attané. Il s’agit à l’origine de recherches assez fondamentales sur la façon d’utiliser le spin de l’électron pour créer une nouvelle électronique. »
C’est la définition de la spintronique, qui exploite le spin de l’électron (équivalent à un moment magnétique intrinsèque, une propriété purement quantique), en plus de sa charge électrique, pour transporter de l’information.
Le composant FESO résulte même de travaux scientifiques dans un sous-domaine de la spintronique : la spin-orbitronique, qui repose sur le couplage spin-orbite, c’est-à-dire la relation entre l’orientation du spin d’un électron et son déplacement. Ce phénomène physique permet d’interconvertir un courant de charge en courant de spin.
Appliquer un champ électrique au lieu d'un champ magnétique
« Quand on applique un courant de charge à un matériau, typiquement du platine qui présente un fort couplage spin-orbite, celui-ci va le convertir en courant de spin, lequel sert par exemple à manipuler l’aimantation d’un autre matériau », explique Manuel Bibes. Cet effet est à l’oeuvre dans la future génération de mémoires magnétiques, dite SOT-MRAM (SOT pour spin-orbit torque, « torque » pouvant être traduit par couplage).
« En 2013, avec Albert Fert, nous avons étudié l’effet inverse, la conversion du courant de spin en courant de charge, enchaîne Laurent Vila. Cette publication nous a donné l’idée de concevoir des sources de courant pilotables : un élément ferromagnétique (qui possède une aimantation spontanée, ndlr) génère un courant de spin et, si on retourne son aimantation, on renverse le courant de charge. »
Mais les fondateurs de Nellow font une découverte-clé en 2019, qui donnera lieu à une publication dans Nature : en inversant la polarisation d’un matériau ferroélectrique (de polarisation électrique spontanée) adjacent au matériau réalisant le couplage spin-orbite, ils réussissent à changer le signe du courant de charge produit par cette conversion, sans modifier le courant de spin. Ferroélectrique et spin-orbite : voici donc les termes qui forment le sigle FESO.
Une consommation de quelques attojoules
Ce mécanisme qui requiert l’application d’un champ électrique - et pas d’un champ magnétique - s’avère beaucoup plus efficace sur le plan énergétique. « On consomme 1000 fois moins d’énergie pour retourner la polarisation d’un matériau ferroélectrique que pour retourner l’aimantation d’un matériau ferromagnétique », précise Laurent Vila. Une consommation qui se compte en attojoule, plutôt qu’en femtojoule.
Le composant FESO fait valoir d’autres atouts dans le registre énergétique, selon ses inventeurs. Non volatile, il n’impose pas une consommation électrique statique pour retenir l’information. Ensuite, la tension électrique de travail est le dixième, soit 0,1 V, de celle en vigueur pour alimenter les puces.
Enfin, le composant FESO offre la possibilité de co-localiser les fonctions logiques et les fonctions mémoire, au contraire de l’architecture de Von Neumann qui les sépare et gaspille de l’énergie et du temps à cause d’incessants allers-retours des données.
Du reste, c’est le premier jalon industriel envisagé par Nellow en 2031 : la mise sur le marché de puces à l’architecture neuromorphique, capable d’effectuer des calculs analogiques en mémoire. L’objectif est d’accélérer les nombreux calculs matriciels requis par l’IA dans l’embarqué.
« Nous pourrons ainsi monter le TRL et faciliter l’acceptation de notre technologie par l’industrie, indique Jean-Philippe Attané. Ce sera un marche-pied. »
De l'accélérateur analogique à la puce numérique
Car Nellow a l’ambition, à l’étape suivante vers 2035, de commercialiser des puces exécutant des calculs logiques booléens, à destination de l’industrie du numérique. Et donc de concurrencer voire de remplacer le transistor actuel. Des projections évaluent ce marché à 1000 milliards de dollars…
D’ici là, beaucoup d’efforts en R&D restent à accomplir, le TRL actuel étant situé à 3-4 « Nous avons une preuve de concept en laboratoire à l’échelle du dispositif individuel, confie Jean-Philippe Attané. La suite consiste à démontrer le fonctionnement de manière statistique de matrices de composants FESO sur des substrats industriels de 300 mm et à s’insérer dans les procédés industriels. »
Pour cela, la deeptech tirera parti des lignes pilotes du CEA-Leti et de Spintec. Côté matériau pour changer le couplage spin-orbite à loisir grâce à l’état ferroélectrique, elle examine la piste « prometteuse » des oxydes ferroélectriques.
Autoroute à électrons
« Les gaz d’électrons bidimensionnels qui y sont générés ont des mobilités élevées », fait remarquer Manuel Bibes. Laurent Vila compare ces matériaux quantiques à des « autoroutes à électrons, sans limitation de vitesse. »
Le composant MESO (M pour magnétoélectrique) développé par Intel est cité comme un rival potentiel. « Mais il n’est pas assez déterministe et son endurance est insuffisante », constate Manuel Bibes.
L’enjeu, à terme, est de « réindustrialiser un secteur avec très peu d’acteurs européens, analyse Jean-Philippe Attané. Si on se base sur la technologie d’Intel ou de TSMC, on n’y arrivera pas car les investissements sont trop importants. D’où l’idée d’une innovation de rupture pour avoir un impact industriel. » Nellow prévoit de lever dix millions d’euros en 2025 pour que son rêve se poursuive.
Changer la polarité d'un courant de charge grâce à la ferroélectricité
L’électrode basse permet de contrôler la polarisation du matériau ferroélectrique (en vert), vers le haut ou vers le bas, ce qui agit sur le signe du courant de charge Jc du matériau de couplage spin-orbite (en violet). Dans ce cas de figure, le courant de spin Js induit par le matériau ferromagnétique par-dessus ne requiert pas d’inversion. C’est la découverte majeure en 2019 des fondateurs de Nellow, préalable à l’invention du composant FESO.
La dimension du composant est de 10 nanomètres – Nellow vise encore plus petit – et son temps de commutation est de l’ordre de la nanoseconde, pour une énergie consommée de quelques attojoules (soit un milliardième de milliardième de joule). Son endurance est lecture est supposément infinie. En écriture, la deeptech vise 10puiss12 cycles.
