Content Addressable Memories and Transformable Logic Circuits Based on Ferroelectric Reconfigurable Transistors for In-Memory Computing

As a promising alternative to the Von Neumann architecture, in-memory computing holds the promise of delivering high computing capacity while consuming low power. Content addressable memory (CAM) can implement pattern matching and distance measurement in memory with massive parallelism, making them highly desirable for data-intensive applications. In this paper, we propose and demonstrate a novel 1-transistor-per-bit CAM based on the ferroelectric reconfigurable transistor. By exploiting the switchable polarity of the ferroelectric reconfigurable transistor, XOR/XNOR-like matching operation in CAM can be realized in a single transistor. By eliminating the need for the complementary circuit, these non-volatile CAMs based on reconfigurable transistors can offer a significant improvement in area and energy efficiency compared to conventional CAMs. NAND- and NOR-arrays of CAMs are also demonstrated, which enable multi-bit matching in a single reading operation. In addition, the NOR array of CAM cells effectively measures the Hamming distance between the input query and stored entries. Furthermore, utilizing the switchable polarity of these ferroelectric Schottky barrier transistors, we demonstrate reconfigurable logic gates with NAND/NOR dual functions, whose input-output mapping can be transformed in real-time without changing the layout. These reconfigurable circuits will serve as important building blocks for high-density data-stream processors and reconfigurable Application-Specific Integrated Circuits (r-ASICs). The CAMs and transformable logic gates based on ferroelectric reconfigurable transistors will have broad applications in data-intensive applications from image processing to machine learning and artificial intelligence

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

Product assurance technology for custom LSI/VLSI electronics

The technology for obtaining custom integrated circuits from CMOS-bulk silicon foundries using a universal set of layout rules is presented. The technical efforts were guided by the requirement to develop a 3 micron CMOS test chip for the Combined Release and Radiation Effects Satellite (CRRES). This chip contains both analog and digital circuits. The development employed all the elements required to obtain custom circuits from silicon foundries, including circuit design, foundry interfacing, circuit test, and circuit qualification

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

TCA<i>m</i>M^CogniGron::Energy Efficient Memristor-Based TCAM for Match-Action Processing

The Internet relies heavily on programmable match-action processors for matching network packets against locally available network rules and taking actions, such as forwarding and modification of network packets. This match-action process must be performed at high speed, i.e., commonly within one clock cycle, using a specialized memory unit called Ternary Content Addressable Memory (TCAM). Building on transistor-based CMOS designs, state-of-the-art TCAM architectures have high energy consumption and lack resilient designs for incorporating novel technologies for performing appropriate actions. In this article, we motivate the use of a novel fundamental component, the ‘Memristor’, for the development of TCAM architecture for match-action processing. Memristors can provide energy efficiency, non-volatility and better resource density as compared to transistors. We have proposed a novel memristor-based TCAM architecture called TCAmMCogniGron, built upon the voltage divider principle and requiring only two memristors and five transistors for storage and search operations compared to sixteen transistors in the traditional TCAM architecture. We analyzed its performance over an experimental data set of Nb-doped SrTiO3-based memristor. The analysis of TCAmMCogniGron showed promising power consumption statistics of 16 uW and 1 uW for match and mismatch operations along with twice the improvement in resources density as compared to the traditional architectures

An Energy-Efficient Design Paradigm for a Memory Cell Based on Novel Nanoelectromechanical Switches

In this chapter, we explain NEMsCAM cell, a new content-addressable memory (CAM) cell, which is designed based on both CMOS technologies and nanoelectromechanical (NEM) switches. The memory part of NEMsCAM is designed with two complementary nonvolatile NEM switches and located on top of the CMOS-based comparison component. As a use case, we evaluate first-level instruction and data translation lookaside buffers (TLBs) with 16 nm CMOS technology at 2 GHz. The simulation results demonstrate that the NEMsCAM TLB reduces the energy consumption per search operation (by 27%), standby mode (by 53.9%), write operation (by 41.9%), and the area (by 40.5%) compared to a CMOS-only TLB with minimal performance overhead