Légende : Julien Tranchant, ingénieur de Centrale Nantes, est spécialisé depuis 2011 dans le développement de composants basés sur les isolants de Mott, dans le cadre de ses recherches au sein de l’Institut des Matériaux de Nantes. Il est aujourd’hui co-fondateur et directeur technique de Mottronix

Doc : © Nantes Université

J’ai eu la chance de rencontrer cette semaine Julien Tranchant, un ingénieur de recherche à l’Institut des Matériaux de Nantes, qui vient de co-fonder avec trois collègues la start-up Mottronix. Celle-ci développe un nouveau type de composants électroniques basés sur les isolants de Mott qui, grâce à une architecture spécifique, permet de s’approcher du fonctionnement du cerveau des mammifères, ce qui promet des réductions de consommation d’énergie des applications d’IA d’un facteur 1 000 !

A l’heure où l’informatique vit une véritable révolution avec l’arrivée des technologies quantiques et de l’Intelligence Artificielle, sa consommation énergétique exponentielle devient un frein à son développement et les architectures classiques d’ordinateurs, basées sur celle développée pendant le 2^e Guerre Mondiale par Von Neumann, montrent leurs limites. Il va donc falloir passer à autre chose.

« C’est ce que nous voulons faire avec Mottronix que nous venons de créer début avril avec Laurent Cario, Étienne Janod et Benoît Corraze, qui sont, comme moi, chercheurs CNRS au sein de l’Institut des Matériaux Jean Rouxel de Nantes. Il s’agit pour nous de valoriser le fruit de plus de 20 ans de recherche autour des isolants de Mott en exploitant leurs propriétés quantiques pour diviser par 1 000 la consommation des puces électroniques dédiées à l’IA », explique Julien Tranchant, CTO de Mottronix.

Isolant ou conducteur au choix

Les premières recherches sur les isolants de Mott remontent aux travaux de Sir Nevil Mott, prix Nobel de physique en 1977, qui avait compris leur fonctionnement dès 1949. Et elles ont connu un regain d’intérêt depuis les années 70-80, notamment pour leur utilité en supraconductivité.

« Concrètement les matériaux constituant les isolants de Mott peuvent être de multiples natures. Si l’on se réfère à la théorie des bandes d’énergie, qui régit depuis des lustres les semiconducteurs, les matériaux concernés devraient se comporter comme des métaux conducteurs de l’électricité, or ils sont isolants. Cela vient du fait que les interactions entre les électrons dans ces matériaux ne sont pas négligeables. C’est ce qu’on appelle des propriétés quantiques de la matière. Du coup, là où les électrons peuvent circuler librement dans un métal, ils sont ‘‘gelés’’ dans la structure cristalline d’un matériau constituant un isolant de Mott. C’est en quelque sorte un glaçon à électrons ».

Mais les recherches menées depuis 80 ans ont montré que l’on peut les ‘‘dégeler’’ à volonté et ainsi faire passer le matériau du statut d’isolant à celui de conducteur. Cela peut se faire en appliquant une forte pression sur le matériau où en le ‘‘dopant’’ avec certains éléments. Mais les recherches menées depuis les années 2000 dans l’équipe de Laurent Cario, et dans le cadre du projet de recherche MOTT-IA, ont aussi montré que ce changement d’état pouvait être provoqué de manière réversible par une impulsion électrique ultrabrève.

« C’est à la fois beaucoup plus facile à mettre en œuvre et surtout intéressant pour des applications en micro-électronique. D’autant plus que les champs électriques nécessaires pour provoquer le changement d’état sont de l’ordre de quelques volts sur quelques dizaines de nanomètres. On est donc dans une gamme de tensions adaptée à la nano-électronique. Cela est rendu possible par les propriétés quantiques de la matière. Mais attention, on n’est pas sur les mêmes mécanismes que ce qui se passe dans l’informatique quantique, tels que l’intrication quantique ou la superposition d’états, etc. », tempère Julien Tranchant.

Des matériaux largement présents sur terre

Une multitude de matériaux ont les capacités pour être des isolants de Mott. « Nous avons travaillé depuis 20 ans sur différentes familles de matériaux tels les chalcogénures (Ndlr : C’est la colonne du tableau de classification périodique des éléments chimiques où il y a l’Oxygène, le Soufre, le Sélénium, le Tellure…). On a ainsi travaillé sur des sulfures, des séléniures, des tellurures, mais aussi des composés organiques, des oxydes, etc. Aujourd’hui nos recherches portent, par exemple, sur des oxydes de vanadium, qui sont dopés avec des éléments comme le chrome. »

La naissance de la Mottronique

Des travaux de recherche initialisés en 2005 à l’Institut des Matériaux de Nantes. « A l’époque Laurent Cario, Étienne Janod et Benoît Corraze travaillaient dans des laboratoires différents de l’Institut des Matériaux et étaient à la recherche d’un sujet commun, Benoît Corraze étant plutôt spécialiste du transport électrique dans les matériaux, Laurent Cario et Étienne Janod étaient physicochimistes.
Ils se sont donc intéressés aux matériaux isolants de Mott, dont à l’époque on pensait qu’ils ne réagissaient qu’a des stimuli externes tels que la pression (quelques Giga Pascal) ou au dopage. Mais le fait d’injecter des électrons dans le système n’était pas du tout connu. Laurent Cario ayant déjà effectué ce genre de recherche sur des systèmes en fin de compte assez proches, a décidé de tester l’idée avec des résultats prometteurs, qui ont été récompensés par le prestigieux Prix Félix Robin de la Société française de Physique en 2023. Cela a fini par déboucher en 2023 sur le projet de recherche MOTT-IA, co-financé à hauteur de 2,8M€ par la Région Pays de la Loire, le CNRS et Nantes Université.
Ainsi est née la technologie de ‘‘Transition de Mott Electrique’’ qui permet de reproduire le comportement électrique des neurones, et ouvre ainsi la voie à l’émergence d’une nouvelle électronique basée sur l’utilisation des isolants de Mott : la Mottronique. »

Copier le fonctionnement du cerveau

Dans le cerveau des mammifères, un neurone réalise en effet trois fonctions de base : il reçoit des impulsions électriques des neurones voisins et les intègre via sa membrane, entre les impulsions sa membrane se décharge et quand le potentiel de la membrane atteint un certain seuil, le neurone envoie lui-même une impulsion vers les autres neurones.

« Toutes ces fonctions ont pu être réalisées avec un isolant de Mott intégré en couches minces dans un dispositif adaptable pour l’industrie microélectronique. Cela a été rendu possible par l’intégration dans l’équipe du projet de Marie-Paule Besland, spécialiste des couches minces. La microélectronique ne se concevant qu’à l’échelle nanométrique, son expertise a permis de dompter ces matériaux complexes pour les rendre compatibles avec les procédés industriels.
Ces travaux ont donné lieu à un démonstrateur en 2025. Mais un laboratoire de recherche ne peut physiquement pas dépasser le niveau de maturité technologique TRL 4 (preuve de concept). Pour atteindre les niveaux TRL 6 ou 7 (prototype préindustriel) exigés par les industriels, la création d’une structure dédiée était une nécessité, d’où la création de la start-up Mottronix. »

Volatile ou non-volatile

Cette Transition de Mott Electrique est d’autant plus intéressante qu’elle peut être volatile, juste présente durant l’impulsion électrique, ou non-volatile c’est-à-dire avec passage et maintien d’un état stable à l’autre à chaque impulsion. « En fait on a découvert qu’il y a un seuil de champ électrique en dessous duquel il ne se passe rien, qu’au-delà l’état change de manière volatile et que si l’on augmente encore la valeur du champ, le changement d’état devient non volatile. On peut donc avec le même matériau choisir son comportement en jouant sur sa mise en forme et l’intensité de l’impulsion électrique. L’état volatile permettant de créer des neurones artificiels, alors que l’état non volatile permet de créer des mémoires non volatiles multi-niveau analogiques pour implémenter des fonctionnalités de synapses artificielles. »

L’aube d’une informatique neuromorphique

Mais Mottronix n’entend pas se limiter à la création de neurones artificiels et de mémoires. « L’objectif est de créer, à l’aide de ces neurones artificiels et de ces mémoires des nouveaux composants dédiés aux applications d’IA embarquée, le tout étant intégré dans une architecture novatrice pour faire de l’électronique neuromorphique dont la consommation énergétique sera sans commune mesure par rapport à ce qui se fait aujourd’hui en IA. »

On sait effectivement que l’architecture de Von Neumann est absolument inefficace énergétiquement pour faire de l’IA. Et si l’on compare l’énergie consommée par un cerveau pour faire la même tâche, il faut 1 000 à 10 000 fois plus d’énergie avec un ordinateur si on veut simuler un réseau de neurones et de synapses artificiels. En fait, un cerveau est extrêmement efficace pour un certain nombre de tâches, en revanche un ordinateur est beaucoup plus efficace pour calculer.

« Donc pour toutes les tâches d’IA, si au lieu de simuler, sur une architecture de Von Neumann, des réseaux de neurones et de synapses artificiels comme on le fait aujourd’hui, en particulier pour les LLM, on utilise une architecture dédiée qui va être un réseau de composants matériels (neurones et synapses artificiels), on va gagner énormément d’énergie. D’autant plus que l’information et son traitement vont pouvoir être localisés au même endroit, avec un réseau massivement interconnecté de synapses et de neurones, ce qui élimine les échanges constants et énergivores de données qui existent entre processeur et mémoire dans une architecture classique. »

Ce nouveau type d’informatique, où l’information est codée non plus par un mouvement de charge, mais par un changement d’état de la matière, si elle utilise les propriétés quantiques de la matière, n’est pas une informatique quantique. « Nos puces seront effectivement des accélérateurs d’IA qui seront compatibles et complémentaires des informatiques classique et quantique, avec lesquelles elles viendront s’interfacer. »

De la recherche à la start-up

Au-delà des 4 chercheurs co-fondateurs, Mottronix a intégré un entrepreneur, Franck Grimaud, qui a déjà cofondé Valneva, une entreprise de biotechs spécialisée dans les vaccins, valorisée à plusieurs centaines de millions d’Euros. Il vient renforcer Mottronix sur les aspects business avec 25 ans d’expérience d’entreprenariat. Ce qui sera d’autant plus utile puisque Mottronix se lance dans une phase de levée de fonds de 3 à 5 M€.

« L’objectif, à assez court terme, est de vendre des licences de brevets pour de la mémoire embarquée et de nous appuyer sur des partenariats extérieurs, notamment avec le CEA-Leti de Grenoble, pour tous les aspects fabrication de prototypes, car issus d’un laboratoire de matériaux nous ne disposons pas de salle blanche, extrêmement onéreuse, pour faire de la nano-fabrication.
A plus long terme nous serons une entreprise ‘‘fabless’’ qui fait fabriquer ses puces pour des applications d’IA délocalisées par des fondeurs et les commercialise. Ce qui nous amène en 2030-2032. On verra ensuite comment tout cela évolue en fonction des opportunités du marché.
Pour le moment nous sommes 5 personnes, et la levée de fonds va nous permettre de développer l’équipe, essentiellement des ingénieurs de recherche, car nous sommes une start-up deeptech avec un temps d’accès au marché qui nécessite plusieurs années de R&D. Si tout va bien, nous devrions être de l’ordre d’une quarantaine de personnes d’ici 4-5 ans. », conclut Julien Tranchant.

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : https://mottronix.com/