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Stratégie

Magnétisme et spintronique : le CNRS bien positionné sur les mémoires émergentes

En pleine émergence, la spintronique présente des technologies prometteuses pour le stockage de données et les mémoires magnétiques non-volatiles. Le CNRS bénéficie de plusieurs laboratoires à la pointe des recherches, valorisées par la création de start-up.

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En progression constante depuis le début des années 90, la sauvegarde numérique des informations, sous forme binaire (0 et 1), connait depuis une décennie une évolution exponentielle. Alors que les supports présentent des formes multiples (bandes magnétiques, CD, DVD, clés USB, disques durs…), les besoins en termes de stockage (de masse ou temporaire) ne tarissent pas. Bien au contraire.

Basés sur le stockage de charges électroniques, les dispositifs mémoires se répartissent en deux types : les mémoires non volatiles1 comme les disques durs ou les mémoires Flash, et les mémoires volatiles telles que les dispositifs RAM2, dont le contenu doit être périodiquement réactualisé pour éviter toute perte d'informations. Nombre de technologies dominantes, telles que les SRAM (mémoire à accès aléatoire statique), DRAM (mémoire à accès aléatoire dynamique), Flash et disques durs, rencontrent aujourd’hui des limites technologiques difficilement surmontables.

Car les challenges ne manquent pas : rapidité de lecture et d’écriture de l’information, faible niveau de consommation énergétique, forte capacité de stockage, non-volatilité et stabilité de l’information, possible intégrabilité sur puce électronique, coût modéré de production, les paramètres-clés à satisfaire sont légion. A ce jour, aucun dispositif mémoire commercialisé ne répond à l’ensemble de ces critères.

En quête de nouvelles pistes, les recherches se tournent depuis quelques années vers des techniques de stockage utilisant le moment magnétique de l’électron (spin) ou la variabilité des propriétés électriques de certains matériaux en fonction de leur état physique (changement de phase, d’oxydation). Deux dispositifs sortent aujourd’hui du lot : les mémoires magnétiques MRAM (magnetic random access memory), déclinées en trois sous-groupes suivant la technique d’écriture utilisée - spin-transfer torque (STT-MRAM), spin-orbit torque (SOT-MRAM), et thermally assisted MRAM (TAS-MRAM) - et les mémoires résistives (mémoires à changement de phases PCRAM, mémoires à diffusion d’oxygène ReRAM, mémoires résistives à isolant de Mott ou MottrRAM). C’est la maîtrise du dépôt, en couche mince, de matériaux plus ou moins complexes et la gestion des interfaces à ces dimensions qui ont rendu ce développement possible.

Encore émergentes, ces mémoires représentent actuellement moins de 1% du marché annuel de l’ensemble des mémoires, qui avoisine les 100 milliards de dollars. Mais leur forte croissance est prévue dans les cinq prochaines années. Les grands acteurs du secteur – en majorité asiatiques et américains (Samsung, Toshiba, SK Hynix, TDK/Headways en collaboration avec TSMC, Micron, Qualcomm, IBM, Intel) - tout en continuant à améliorer les dispositifs mémoires existants, développent de plus en plus ces nouvelles technologies proposées par des start-up (Avalanche, Everspin en lien avec Global Foundry, Crocus Technology, Spin Transfer Technology…).

 

La valorisation des dispositifs magnétiques développés au CNRS

Particulièrement actif dans ce domaine3, le CNRS dispose d’un portefeuille de 83 familles de brevets déposées entre 1994 et 2014, dont plus de 70% déposées après 2007 et 84% actuellement encore en vigueur. En moyenne, depuis 2007, sept familles de brevets ont été déposées par an. Elles sont principalement issues des activités de deux réseaux : celui, en région parisienne, formé autour de l’unité mixte de physique CNRS/Thales, de l’Institut d’électronique fondamentale (CNRS/Université Paris-Sud) et de nombreux industriels, dans le cadre de co-développement, tels que Thales, Hitachi et STMicroelectronics ; et celui, à Grenoble, formé autour de l'unité Spintronique et technologie des composants (CNRS/CEA/Université Grenoble Alpes) et du CEA. L’Institut de matériaux de Nantes Jean Rouxel (CNRS/Université de Nantes) est, quant à lui, particulièrement actif dans le domaine des ReRAM.

Ces laboratoires se distinguent tous dans le domaine des mémoires magnétiques MRAM, l’unité Spintronique et technologie des composants étant en outre le pionnier et un des leaders de la technologie prometteuse SOT (spin orbit torque). « Les mémoires SOT-MRAM comportent une architecture similaire aux STT-MRAM développées actuellement par les acteurs majeurs du domaine, mis à part que le courant traverse ici la structure de façon longitudinale et non perpendiculaire, ce qui n’abîme pas la jonction tunnel », explique Gilles Gaudin, de l’unité. « Très rapides, endurantes et surtout non-volatiles, elles pourraient remplacer les SRAM dans les mémoires cache et trouver des applications en électronique nomade. »

Les dispositifs magnétiques développés au sein de ces laboratoires ont abouti à la création de plusieurs sociétés. Issue de l’unité Spintronique et technologie des composants, la société Crocus Technology met au point des dispositifs à base de mémoires magnétiques TAS-MRAM. En 2014, afin de compléter son offre, elle s’est positionnée sur le marché des capteurs magnétiques. Elle emploie aujourd’hui 60 personnes en France et en Californie et réalise un chiffre d’affaires de près de huit millions d’euros. Fondée en septembre 2014, eVaderis est également issue de l’unité Spintronique et technologie des composants et exploite six familles de brevets. Elle se spécialise dans la conception de systèmes numériques ultra basse consommation mettant en œuvre des technologies numériques non volatiles, notamment les STT-MRAM.

Deux autres sociétés sont actuellement en cours de montage. La première, à nouveau issue de l’unité Spintronique et technologie des composants, exploitera les technologies SOT-MRAM établies au sein du laboratoire. La seconde, SPIN-ION Technologies, issue de l’Institut d'Électronique Fondamentale, sera davantage axée sur l’amélioration des matériaux utilisés par les dispositifs magnétiques. « La start-up, qui devrait voir le jour dans les six prochains mois, développera une nouvelle technologie de traitement des matériaux magnétiques », explique Dafiné Ravelosona, de l’Institut d'Électronique Fondamentale et porteur du projet de start-up. « En irradiant ces matériaux par des ions, on parvient à contrôler leurs défauts structuraux et à moduler leurs propriétés magnétiques. Les densités de stockage des mémoires MRAM, qui font appel à ces matériaux déposés en couche ultra-minces, s’en trouveront ainsi décuplées. » Une proposition de structuration de l’activité Spintronique à Paris-Saclay est actuellement en cours de rédaction afin de favoriser la valorisation des recherches qui y sont faites.

 

1 L’information reste mémorisée même en l’absence d’alimentation électrique.

2 Mémoire à accès aléatoire ou mémoire vive.

3 Dans le cadre de sa stratégie de valorisation, le CNRS a identifié 20 domaines de recherche d’intérêt national ou international à haut potentiel d’innovation, appelés « Focus transfert CNRS » – tels que les mémoires basées sur l’électronique de spin - pour lesquels il se situe au meilleur niveau mondial. Il y dispose d’un réseau national de scientifiques et de valorisation, et mobilise les ressources de sa filiale nationale FIST SA, en concertation avec ses filiales territoriales SATT. Grâce à ce réseau, les travaux réalisés sont valorisés plus efficacement au niveau national. L’agrégation de brevets, issus de multiples lieux géographiques, permet de générer un développement économique et des retours financiers supérieurs à ceux provenant de la licence d’une seule famille de brevets.

 

Article rédigé par Véronique Meder.

 

Contacts :

Gilles Gaudin / Spintronique et technologie des composants / gilles.gaudin@cea.fr

Dafiné Ravelosona / Centre de Nanosciences et Nanotechnologies / dafine.ravelosona@c2n.universite-paris-saclay.fr

Direction de l’innovation et des relations avec les entreprises CNRS / focus-transfert@cnrs-dir.fr