Design of robust spin-transfer torque magnetic random access memories for ultralow power high performance on-chip cache applications

Spin-transfer torque magnetic random access memories (STT-MRAMs) based on magnetic tunnel junction (MTJ) has become the leading candidate for future universal memory technology due to its potential for low power, non-volatile, high speed and extremely good endurance. However, conflicting read and write requirements exist in STT-MRAM technology because the current path during read and write operations are the same. Read and write failures of STT-MRAMs are degraded further under process variations. The focus of this dissertation is to optimize the yield of STT- MRAMs under process variations by employing device-circuit-architecture co-design techniques. A devices-to-systems simulation framework was developed to evaluate the effectiveness of the techniques proposed in this dissertation. An optimization methodology for minimizing the failure probability of 1T-1MTJ STT-MRAM bit-cell by proper selection of bit-cell configuration and access transistor sizing is also proposed. A failure mitigation technique using assistsin 1T-1MTJ STT-MRAM bit-cells is also proposed and discussed. Assist techniques proposed in this dissertation to mitigate write failures either increase the amount of current available to switch the MTJ during write or decrease the required current to switch the MTJ. These techniques achieve significant reduction in bit-cell area and write power with minimal impact on bit-cell failure probability and read power. However, the proposed write assist techniques may be less effective in scaled STT-MRAM bit-cells. Furthermore, read failures need to be overcome and hence, read assist techniques are required. It has been experimentally demonstrated that a class of materials called multiferroics can enable manipulation of magnetization using electric fields via magnetoelectric effects. A read assist technique using an MTJ structure incorporating multiferroic materials is proposed and analyzed. It was found that it is very difficult to overcome the fundamental design issues with 1T-1MTJ STT-MRAM due to the two-terminal nature of the MTJ. Hence, multi-terminal MTJ structures consisting of complementary polarized pinned layers are proposed. Analysis of the proposed MTJ structures shows significant improvement in bit-cell failures. Finally, this dissertation explores two system-level applications enabled by STT-MRAMs, and shows that device-circuit-architecture co-design of STT-MRAMs is required to fully exploit its benefits

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

Spin-Transfer-Torque (STT) Devices for On-chip Memory and Their Applications to Low-standby Power Systems

With the scaling of CMOS technology, the proportion of the leakage power to total power consumption increases. Leakage may account for almost half of total power consumption in high performance processors. In order to reduce the leakage power, there is an increasing interest in using nonvolatile storage devices for memory applications. Among various promising nonvolatile memory elements, spin-transfer torque magnetic RAM (STT-MRAM) is identified as one of the most attractive alternatives to conventional SRAM. However, several design challenges of STT-MRAM such as shared read and write current paths, single-ended sensing, and high dynamic power are major challenges to be overcome to make it suitable for on-chip memories. To mitigate such problems, we propose a domain wall coupling based spin-transfer torque (DWCSTT) device for on-chip caches. Our proposed DWCSTT bit-cell decouples the read and the write current paths by the electrically-insulating magnetic coupling layer so that we can separately optimize read operation without having an impact on write-ability. In addition, the complementary polarizer structure in the read path of the DWCSTT device allows DWCSTT to enable self-referenced differential sensing. DWCSTT bit-cells improve the write power consumption due to the low electrical resistance of the write current path. Furthermore, we also present three different bit-cell level design techniques of Spin-Orbit Torque MRAM (SOT-MRAM) for alleviating some of the inefficiencies of conventional magnetic memories while maintaining the advantages of spin-orbit torque (SOT) based novel switching mechanism such as low write current requirement and decoupled read and write current path. Our proposed SOT-MRAM with supporting dual read/write ports (1R/1W) can address the issue of high-write latency of STT-MRAM by simultaneous 1R/1W accesses. Second, we propose a new type of SOT-MRAM which uses only one access transistor along with a Schottky diode in order to mitigate the area-overhead caused by two access transistors in conventional SOT-MRAM. Finally, a new design technique of SOT-MRAM is presented to improve the integration density by utilizing a shared bit-line structure

Reconfigurable nanoelectronics using graphene based spintronic logic gates

This paper presents a novel design concept for spintronic nanoelectronics that emphasizes a seamless integration of spin-based memory and logic circuits. The building blocks are magneto-logic gates based on a hybrid graphene/ferromagnet material system. We use network search engines as a technology demonstration vehicle and present a spin-based circuit design with smaller area, faster speed, and lower energy consumption than the state-of-the-art CMOS counterparts. This design can also be applied in applications such as data compression, coding and image recognition. In the proposed scheme, over 100 spin-based logic operations are carried out before any need for a spin-charge conversion. Consequently, supporting CMOS electronics requires little power consumption. The spintronic-CMOS integrated system can be implemented on a single 3-D chip. These nonvolatile logic circuits hold potential for a paradigm shift in computing applications.Comment: 14 pages (single column), 6 figure

Design considerations of a nonvolatile accumulator-based 8-bit processor

The rise of the Internet of Things (IoT) and theconstant growth of portable electronics have leveraged the con-cern with energy consumption. Nonvolatile memory (NVM)emerged as a solution to mitigate the problem due to its abilityto retain data on sleep mode without a power supply. Non-volatile processors (NVPs) may further improve energy savingby using nonvolatile flip-flops (NVFFs) to store system state,allowing the device to be turned off when idle and resume ex-ecution instantly after power-on. In view of the potential pre-sented by NVPs, this work describes the initial steps to imple-ment a nonvolatile version of Neander, a hypothetical processorcreated for educational purposes. First, we implemented Ne-ander in Register Transfer Level (RTL), separating the com-binational logic from the sequential elements. Then, the lat-ter was replaced by circuit-level descriptions of volatile flip-flops. We then validated this implementation by employinga mixed-signal simulation over a set of benchmarks. Resultshave shown the expected behavior for the whole instructionset. Then, we implemented circuit-level descriptions of mag-netic tunnel junction (MTJ) based nonvolatile flip-flops, usingan open-source MTJ model. These elements were exhaustivelyvalidated using electrical simulations. With these results, weintend to carry on the implementation and fully equip our pro-cessor with nonvolatile features such as instant wake-up

Energy efficient hybrid computing systems using spin devices

Emerging spin-devices like magnetic tunnel junctions (MTJ\u27s), spin-valves and domain wall magnets (DWM) have opened new avenues for spin-based logic design. This work explored potential computing applications which can exploit such devices for higher energy-efficiency and performance. The proposed applications involve hybrid design schemes, where charge-based devices supplement the spin-devices, to gain large benefits at the system level. As an example, lateral spin valves (LSV) involve switching of nanomagnets using spin-polarized current injection through a metallic channel such as Cu. Such spin-torque based devices possess several interesting properties that can be exploited for ultra-low power computation. Analog characteristic of spin current facilitate non-Boolean computation like majority evaluation that can be used to model a neuron. The magneto-metallic neurons can operate at ultra-low terminal voltage of ∼20mV, thereby resulting in small computation power. Moreover, since nano-magnets inherently act as memory elements, these devices can facilitate integration of logic and memory in interesting ways. The spin based neurons can be integrated with CMOS and other emerging devices leading to different classes of neuromorphic/non-Von-Neumann architectures. The spin-based designs involve `mixed-mode\u27 processing and hence can provide very compact and ultra-low energy solutions for complex computation blocks, both digital as well as analog. Such low-power, hybrid designs can be suitable for various data processing applications like cognitive computing, associative memory, and currentmode on-chip global interconnects. Simulation results for these applications based on device-circuit co-simulation framework predict more than ∼100x improvement in computation energy as compared to state of the art CMOS design, for optimal spin-device parameters