Design of Adiabatic MTJ-CMOS Hybrid Circuits

Low-power designs are a necessity with the increasing demand of portable devices which are battery operated. In many of such devices the operational speed is not as important as battery life. Logic-in-memory structures using nano-devices and adiabatic designs are two methods to reduce the static and dynamic power consumption respectively. Magnetic tunnel junction (MTJ) is an emerging technology which has many advantages when used in logic-in-memory structures in conjunction with CMOS. In this paper, we introduce a novel adiabatic hybrid MTJ/CMOS structure which is used to design AND/NAND, XOR/XNOR and 1-bit full adder circuits. We simulate the designs using HSPICE with 32nm CMOS technology and compared it with a non-adiabatic hybrid MTJ/CMOS circuits. The proposed adiabatic MTJ/CMOS full adder design has more than 7 times lower power consumtion compared to the previous MTJ/CMOS full adder

BOOLEAN AND BRAIN-INSPIRED COMPUTING USING SPIN-TRANSFER TORQUE DEVICES

Several completely new approaches (such as spintronic, carbon nanotube, graphene, TFETs, etc.) to information processing and data storage technologies are emerging to address the time frame beyond current Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) roadmap. The high speed magnetization switching of a nano-magnet due to current induced spin-transfer torque (STT) have been demonstrated in recent experiments. Such STT devices can be explored in compact, low power memory and logic design. In order to truly leverage STT devices based computing, researchers require a re-think of circuit, architecture, and computing model, since the STT devices are unlikely to be drop-in replacements for CMOS. The potential of STT devices based computing will be best realized by considering new computing models that are inherently suited to the characteristics of STT devices, and new applications that are enabled by their unique capabilities, thereby attaining performance that CMOS cannot achieve. The goal of this research is to conduct synergistic exploration in architecture, circuit and device levels for Boolean and brain-inspired computing using nanoscale STT devices. Specifically, we first show that the non-volatile STT devices can be used in designing configurable Boolean logic blocks. We propose a spin-memristor threshold logic (SMTL) gate design, where memristive cross-bar array is used to perform current mode summation of binary inputs and the low power current mode spintronic threshold device carries out the energy efficient threshold operation. Next, for brain-inspired computing, we have exploited different spin-transfer torque device structures that can implement the hard-limiting and soft-limiting artificial neuron transfer functions respectively. We apply such STT based neuron (or ‘spin-neuron’) in various neural network architectures, such as hierarchical temporal memory and feed-forward neural network, for performing “human-like” cognitive computing, which show more than two orders of lower energy consumption compared to state of the art CMOS implementation. Finally, we show the dynamics of injection locked Spin Hall Effect Spin-Torque Oscillator (SHE-STO) cluster can be exploited as a robust multi-dimensional distance metric for associative computing, image/ video analysis, etc. Our simulation results show that the proposed system architecture with injection locked SHE-STOs and the associated CMOS interface circuits can be suitable for robust and energy efficient associative computing and pattern matching

Reliable Low-Power High Performance Spintronic Memories

Moores Gesetz folgend, ist es der Chipindustrie in den letzten fünf Jahrzehnten gelungen, ein explosionsartiges Wachstum zu erreichen. Dies hatte ebenso einen exponentiellen Anstieg der Nachfrage von Speicherkomponenten zur Folge, was wiederum zu speicherlastigen Chips in den heutigen Computersystemen führt. Allerdings stellen traditionelle on-Chip Speichertech- nologien wie Static Random Access Memories (SRAMs), Dynamic Random Access Memories (DRAMs) und Flip-Flops eine Herausforderung in Bezug auf Skalierbarkeit, Verlustleistung und Zuverlässigkeit dar. Eben jene Herausforderungen und die überwältigende Nachfrage nach höherer Performanz und Integrationsdichte des on-Chip Speichers motivieren Forscher, nach neuen nichtflüchtigen Speichertechnologien zu suchen. Aufkommende spintronische Spe- ichertechnologien wie Spin Orbit Torque (SOT) und Spin Transfer Torque (STT) erhielten in den letzten Jahren eine hohe Aufmerksamkeit, da sie eine Reihe an Vorteilen bieten. Dazu gehören Nichtflüchtigkeit, Skalierbarkeit, hohe Beständigkeit, CMOS Kompatibilität und Unan- fälligkeit gegenüber Soft-Errors. In der Spintronik repräsentiert der Spin eines Elektrons dessen Information. Das Datum wird durch die Höhe des Widerstandes gespeichert, welche sich durch das Anlegen eines polarisierten Stroms an das Speichermedium verändern lässt. Das Prob- lem der statischen Leistung gehen die Speichergeräte sowohl durch deren verlustleistungsfreie Eigenschaft, als auch durch ihr Standard- Aus/Sofort-Ein Verhalten an. Nichtsdestotrotz sind noch andere Probleme, wie die hohe Zugriffslatenz und die Energieaufnahme zu lösen, bevor sie eine verbreitete Anwendung finden können. Um diesen Problemen gerecht zu werden, sind neue Computerparadigmen, -architekturen und -entwurfsphilosophien notwendig. Die hohe Zugriffslatenz der Spintroniktechnologie ist auf eine vergleichsweise lange Schalt- dauer zurückzuführen, welche die von konventionellem SRAM übersteigt. Des Weiteren ist auf Grund des stochastischen Schaltvorgangs der Speicherzelle und des Einflusses der Prozessvari- ation ein nicht zu vernachlässigender Zeitraum dafür erforderlich. In diesem Zeitraum wird ein konstanter Schreibstrom durch die Bitzelle geleitet, um den Schaltvorgang zu gewährleisten. Dieser Vorgang verursacht eine hohe Energieaufnahme. Für die Leseoperation wird gleicher- maßen ein beachtliches Zeitfenster benötigt, ebenfalls bedingt durch den Einfluss der Prozess- variation. Dem gegenüber stehen diverse Zuverlässigkeitsprobleme. Dazu gehören unter An- derem die Leseintereferenz und andere Degenerationspobleme, wie das des Time Dependent Di- electric Breakdowns (TDDB). Diese Zuverlässigkeitsprobleme sind wiederum auf die benötigten längeren Schaltzeiten zurückzuführen, welche in der Folge auch einen über längere Zeit an- liegenden Lese- bzw. Schreibstrom implizieren. Es ist daher notwendig, sowohl die Energie, als auch die Latenz zur Steigerung der Zuverlässigkeit zu reduzieren, um daraus einen potenziellen Kandidaten für ein on-Chip Speichersystem zu machen. In dieser Dissertation werden wir Entwurfsstrategien vorstellen, welche das Ziel verfolgen, die Herausforderungen des Cache-, Register- und Flip-Flop-Entwurfs anzugehen. Dies erre- ichen wir unter Zuhilfenahme eines Cross-Layer Ansatzes. Für Caches entwickelten wir ver- schiedene Ansätze auf Schaltkreisebene, welche sowohl auf der Speicherarchitekturebene, als auch auf der Systemebene in Bezug auf Energieaufnahme, Performanzsteigerung und Zuver- lässigkeitverbesserung evaluiert werden. Wir entwickeln eine Selbstabschalttechnik, sowohl für die Lese-, als auch die Schreiboperation von Caches. Diese ist in der Lage, den Abschluss der entsprechenden Operation dynamisch zu ermitteln. Nachdem der Abschluss erkannt wurde, wird die Lese- bzw. Schreiboperation sofort gestoppt, um Energie zu sparen. Zusätzlich limitiert die Selbstabschalttechnik die Dauer des Stromflusses durch die Speicherzelle, was wiederum das Auftreten von TDDB und Leseinterferenz bei Schreib- bzw. Leseoperationen re- duziert. Zur Verbesserung der Schreiblatenz heben wir den Schreibstrom an der Bitzelle an, um den magnetischen Schaltprozess zu beschleunigen. Um registerbankspezifische Anforderungen zu berücksichtigen, haben wir zusätzlich eine Multiport-Speicherarchitektur entworfen, welche eine einzigartige Eigenschaft der SOT-Zelle ausnutzt, um simultan Lese- und Schreiboperatio- nen auszuführen. Es ist daher möglich Lese/Schreib- Konfilkte auf Bitzellen-Ebene zu lösen, was sich wiederum in einer sehr viel einfacheren Multiport- Registerbankarchitektur nieder- schlägt. Zusätzlich zu den Speicheransätzen haben wir ebenfalls zwei Flip-Flop-Architekturen vorgestellt. Die erste ist eine nichtflüchtige non-Shadow Flip-Flop-Architektur, welche die Speicherzelle als aktive Komponente nutzt. Dies ermöglicht das sofortige An- und Ausschalten der Versorgungss- pannung und ist daher besonders gut für aggressives Powergating geeignet. Alles in Allem zeigt der vorgestellte Flip-Flop-Entwurf eine ähnliche Timing-Charakteristik wie die konventioneller CMOS Flip-Flops auf. Jedoch erlaubt er zur selben Zeit eine signifikante Reduktion der statis- chen Leistungsaufnahme im Vergleich zu nichtflüchtigen Shadow- Flip-Flops. Die zweite ist eine fehlertolerante Flip-Flop-Architektur, welche sich unanfällig gegenüber diversen Defekten und Fehlern verhält. Die Leistungsfähigkeit aller vorgestellten Techniken wird durch ausführliche Simulationen auf Schaltkreisebene verdeutlicht, welche weiter durch detaillierte Evaluationen auf Systemebene untermauert werden. Im Allgemeinen konnten wir verschiedene Techniken en- twickeln, die erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Performanz, Energie und Zuverlässigkeit von spintronischen on-Chip Speichern, wie Caches, Register und Flip-Flops erreichen

Heterogeneous Reconfigurable Fabrics for In-circuit Training and Evaluation of Neuromorphic Architectures

A heterogeneous device technology reconfigurable logic fabric is proposed which leverages the cooperating advantages of distinct magnetic random access memory (MRAM)-based look-up tables (LUTs) to realize sequential logic circuits, along with conventional SRAM-based LUTs to realize combinational logic paths. The resulting Hybrid Spin/Charge FPGA (HSC-FPGA) using magnetic tunnel junction (MTJ) devices within this topology demonstrates commensurate reductions in area and power consumption over fabrics having LUTs constructed with either individual technology alone. Herein, a hierarchical top-down design approach is used to develop the HSCFPGA starting from the configurable logic block (CLB) and slice structures down to LUT circuits and the corresponding device fabrication paradigms. This facilitates a novel architectural approach to reduce leakage energy, minimize communication occurrence and energy cost by eliminating unnecessary data transfer, and support auto-tuning for resilience. Furthermore, HSC-FPGA enables new advantages of technology co-design which trades off alternative mappings between emerging devices and transistors at runtime by allowing dynamic remapping to adaptively leverage the intrinsic computing features of each device technology. HSC-FPGA offers a platform for fine-grained Logic-In-Memory architectures and runtime adaptive hardware. An orthogonal dimension of fabric heterogeneity is also non-determinism enabled by either low-voltage CMOS or probabilistic emerging devices. It can be realized using probabilistic devices within a reconfigurable network to blend deterministic and probabilistic computational models. Herein, consider the probabilistic spin logic p-bit device as a fabric element comprising a crossbar-structured weighted array. The Programmability of the resistive network interconnecting p-bit devices can be achieved by modifying the resistive states of the array\u27s weighted connections. Thus, the programmable weighted array forms a CLB-scale macro co-processing element with bitstream programmability. This allows field programmability for a wide range of classification problems and recognition tasks to allow fluid mappings of probabilistic and deterministic computing approaches. In particular, a Deep Belief Network (DBN) is implemented in the field using recurrent layers of co-processing elements to form an n x m1 x m2 x ::: x mi weighted array as a configurable hardware circuit with an n-input layer followed by i ≥ 1 hidden layers. As neuromorphic architectures using post-CMOS devices increase in capability and network size, the utility and benefits of reconfigurable fabrics of neuromorphic modules can be anticipated to continue to accelerate

Evaluating spintronics-compatible implementations of Ising machines

The commercial and industrial demand for the solution of hard combinatorial optimization problems push forward the development of efficient solvers. One of them is the Ising machine which can solve combinatorial problems mapped to Ising Hamiltonians. In particular, spintronic hardware implementations of Ising machines can be very efficient in terms of area and performance, and are relatively low-cost considering the potential to create hybrid CMOS-spintronic technology. Here, we perform a comparison of coherent and probabilistic paradigms of Ising machines on several hard Max-Cut instances, analyzing their scalability and performance at software level. We show that probabilistic Ising machines outperform coherent Ising machines in terms of the number of iterations required to achieve the problem s solution. Nevertheless, high frequency spintronic oscillators with sub-nanosecond synchronization times could be very promising as ultrafast Ising machines. In addition, considering that a coherent Ising machine acts better for Max-Cut problems because of the absence of the linear term in the Ising Hamiltonian, we introduce a procedure to encode Max-3SAT to Max-Cut. We foresee potential synergic interplays between the two paradigms.Comment: 26 pages, 6 Figures, submitted for publication in Phys. Rev. Applied (it will be presented at intermag 2023 in Japan