High-Performance Energy-Efficient and Reliable Design of Spin-Transfer Torque Magnetic Memory

In this dissertation new computing paradigms, architectures and design philosophy are proposed and evaluated for adopting the STT-MRAM technology as highly reliable, energy efficient and fast memory. For this purpose, a novel cross-layer framework from the cell-level all the way up to the system- and application-level has been developed. In these framework, the reliability issues are modeled accurately with appropriate fault models at different abstraction levels in order to analyze the overall failure rates of the entire memory and its Mean Time To Failure (MTTF) along with considering the temperature and process variation effects. Design-time, compile-time and run-time solutions have been provided to address the challenges associated with STT-MRAM. The effectiveness of the proposed solutions is demonstrated in extensive experiments that show significant improvements in comparison to state-of-the-art solutions, i.e. lower-power, higher-performance and more reliable STT-MRAM design

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

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

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