Towards Energy-Efficient and Reliable Computing: From Highly-Scaled CMOS Devices to Resistive Memories

The continuous increase in transistor density based on Moore\u27s Law has led us to highly scaled Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) technologies. These transistor-based process technologies offer improved density as well as a reduction in nominal supply voltage. An analysis regarding different aspects of 45nm and 15nm technologies, such as power consumption and cell area to compare these two technologies is proposed on an IEEE 754 Single Precision Floating-Point Unit implementation. Based on the results, using the 15nm technology offers 4-times less energy and 3-fold smaller footprint. New challenges also arise, such as relative proportion of leakage power in standby mode that can be addressed by post-CMOS technologies. Spin-Transfer Torque Random Access Memory (STT-MRAM) has been explored as a post-CMOS technology for embedded and data storage applications seeking non-volatility, near-zero standby energy, and high density. Towards attaining these objectives for practical implementations, various techniques to mitigate the specific reliability challenges associated with STT-MRAM elements are surveyed, classified, and assessed herein. Cost and suitability metrics assessed include the area of nanomagmetic and CMOS components per bit, access time and complexity, Sense Margin (SM), and energy or power consumption costs versus resiliency benefits. In an attempt to further improve the Process Variation (PV) immunity of the Sense Amplifiers (SAs), a new SA has been introduced called Adaptive Sense Amplifier (ASA). ASA can benefit from low Bit Error Rate (BER) and low Energy Delay Product (EDP) by combining the properties of two of the commonly used SAs, Pre-Charge Sense Amplifier (PCSA) and Separated Pre-Charge Sense Amplifier (SPCSA). ASA can operate in either PCSA or SPCSA mode based on the requirements of the circuit such as energy efficiency or reliability. Then, ASA is utilized to propose a novel approach to actually leverage the PV in Non-Volatile Memory (NVM) arrays using Self-Organized Sub-bank (SOS) design. SOS engages the preferred SA alternative based on the intrinsic as-built behavior of the resistive sensing timing margin to reduce the latency and power consumption while maintaining acceptable access time

Valley-Spin Hall Effect-based Nonvolatile Memory with Exchange-Coupling-Enabled Electrical Isolation of Read and Write Paths

Valley-spin hall (VSH) effect in monolayer WSe2 has been shown to exhibit highly beneficial features for nonvolatile memory (NVM) design. Key advantages of VSH-based magnetic random-access memory (VSH-MRAM) over spin orbit torque (SOT)-MRAM include access transistor-less compact bit-cell and low power switching of perpendicular magnetic anisotropy (PMA) magnets. Nevertheless, large device resistance in the read path (RS) due to low mobility of WSe2 and Schottky contacts deteriorates sense margin, offsetting the benefits of VSH-MRAM. To address this limitation, we propose another flavor of VSH-based MRAM that (while inheriting most of the benefits of VSH-MRAM) achieves lower RS in the read path by electrically isolating the read and write terminals. This is enabled by coupling VSH with electrically-isolated but magnetically-coupled PMA magnets via interlayer exchange-coupling. Designing the proposed devices using object oriented micro magnetic framework (OOMMF) simulation, we ensure the robustness of the exchange-coupled PMA system under process variations. To maintain a compact memory footprint, we share the read access transistor across multiple bit-cells. Compared to the existing VSH-MRAMs, our design achieves 39%-42% and 36%-46% reduction in read time and energy, respectively, along with 1.1X-1.3X larger sense margin at a comparable area. This comes at the cost of 1.7X and 2.0X increase in write time and energy, respectively. Thus, the proposed design is suitable for applications in which reads are more dominant than writes

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