Multi-port Memory Design for Advanced Computer Architectures

In this thesis, we describe and evaluate novel memory designs for multi-port on-chip and off-chip use in advanced computer architectures. We focus on combining multi-porting and evaluating the performance over a range of design parameters. Multi-porting is essential for caches and shared-data systems, especially multi-core System-on-chips (SOC). It can significantly increase the memory access throughput. We evaluate FinFET voltage-mode multi-port SRAM cells using different metrics including leakage current, static noise margin and read/write performance. Simulation results show that single-ended multi-port FinFET SRAMs with isolated read ports offer improved read stability and flexibility over classical double-ended structures at the expense of write performance. By increasing the size of the access transistors, we show that the single-ended multi-port structures can achieve equivalent write performance to the classical double-ended multi-port structure for 9% area overhead. Moreover, compared with CMOS SRAM, FinFET SRAM has better stability and standby power. We also describe new methods for the design of FinFET current-mode multi-port SRAM cells. Current-mode SRAMs avoid the full-swing of the bitline, reducing dynamic power and access time. However, that comes at the cost of voltage drop, which compromises stability. The design proposed in this thesis utilizes the feature of Independent Gate (IG) mode FinFET, which can leverage threshold voltage by controlling the back gate voltage, to merge two transistors into one through high-Vt and low-Vt transistors. This design not only reduces the voltage drop, but it also reduces the area in multi-port current-mode SRAM design. For off-chip memory, we propose a novel two-port 1-read, 1-write (1R1W) phasechange memory (PCM) cell, which significantly reduces the probability of blocking at the bank levels. Different from the traditional PCM cell, the access transistors are at the top and connected to the bitline. We use Verilog-A to model the behavior of Ge2Sb2Te5 (GST: the storage component). We evaluate the performance of the two-port cell by transistor sizing and voltage pumping. Simulation results show that pMOS transistor is more practical than nMOS transistor as the access device when both area and power are considered. The estimated area overhead is 1.7�, compared to single-port PCM cell. In brief, the contribution we make in this thesis is that we propose and evaluate three different kinds of multi-port memories that are favorable for advanced computer architectures

Low-Power Heterogeneous Graphene Nanoribbon-CMOS Multistate Volatile Memory Circuit

Graphene is an emerging nanomaterial believed to be a potential candidate for post-Si nanoelectronics, due to its exotic properties. Recently, a new graphene nanoribbon crossbar (xGNR) device was proposed which exhibits negative differential resistance (NDR). In this paper, a multi-state memory design is presented that can store multiple bits in a single cell enabled by this xGNR device, called Graphene Nanoribbon Tunneling Random Access Memory (GNTRAM). An approach to increase the number of bits per cell is explored alternative to physical scaling to overcome CMOS SRAM limitations. A comprehensive design for quaternary GNTRAM is presented as a baseline, implemented with a heterogeneous integration between graphene and CMOS. Sources of leakage and approaches to mitigate them are investigated. This design is extensively benchmarked against 16nm CMOS SRAMs and 3T DRAM. The proposed quaternary cell shows up to 2.27x density benefit vs. 16nm CMOS SRAMs and 1.8x vs. 3T DRAM. It has comparable read performance and is power-efficient, up to 1.32x during active period and 818x during stand-by against high performance SRAMs. Multi-state GNTRAM has the potential to realize high-density low-power nanoscale embedded memories. Further improvements may be possible by using graphene more extensively, as graphene transistors become available in future

Memristor MOS Content Addressable Memory (MCAM): Hybrid Architecture for Future High Performance Search Engines

Large-capacity Content Addressable Memory (CAM) is a key element in a wide variety of applications. The inevitable complexities of scaling MOS transistors introduce a major challenge in the realization of such systems. Convergence of disparate technologies, which are compatible with CMOS processing, may allow extension of Moore's Law for a few more years. This paper provides a new approach towards the design and modeling of Memristor (Memory resistor) based Content Addressable Memory (MCAM) using a combination of memristor MOS devices to form the core of a memory/compare logic cell that forms the building block of the CAM architecture. The non-volatile characteristic and the nanoscale geometry together with compatibility of the memristor with CMOS processing technology increases the packing density, provides for new approaches towards power management through disabling CAM blocks without loss of stored data, reduces power dissipation, and has scope for speed improvement as the technology matures.Comment: 10 pages, 11 figure

Nonphotolithographic nanoscale memory density prospects

Technologies are now emerging to construct molecular-scale electronic wires and switches using bottom-up self-assembly. This opens the possibility of constructing nanoscale circuits and memories where active devices are just a few nanometers square and wire pitches may be on the order of ten nanometers. The features can be defined at this scale without using photolithography. The available assembly techniques have relatively high defect rates compared to conventional lithographic integrated circuits and can only produce very regular structures. Nonetheless, with proper memory organization, it is reasonable to expect these technologies to provide memory densities in excess of 10/sup 11/ b/cm/sup 2/ with modest active power requirements under 0.6 W/Tb/s for random read operations

A Review on Enhancement of SRAM Memory Cell

In this field research paper explores the design and analysis of Static Random Access Memory (SRAMs) that focuses on optimizing delay and power. CMOS SRAM cell consumes very little power and has less read and write time. Higher cell ratios will decrease the read and write time and improve stability. PMOS semiconductor unit with fewer dimensions reduces the ability consumption. During this paper, 6T SRAM cell is implemented with reduced power and performance is good according to read and write time, delay and power consumption. It's been noticed typically that increased memory capability will increase the bit-line parasitic capacitance that successively slows down voltage sensing, to avoid this drawback use optimized scaling techniques and more, get improve performance of the design. Memories are a core part of most of the electronic systems. Performance in terms of speed and power dissipation is the major area of concern in today's memory technology. During this paper SRAM cells supported 6T, 9T, and 8T configurations are compared based on performance for reading and write operations. During this paper completely different static random access memory is designed to satisfy low power, high-performance circuit and also the extensive survey on options of various static random access memory (SRAM) designs were reported. Improve performance static random access memory based on designing a low power SRAM cell structure with optimum write access power

A Novel variation-tolerant 9T SRAM design for nanoscale CMOS

As the feature sizes decrease, understanding manufacturing variations becomes essential to effectively design robust circuits. Manufacturing variations occur when process parameters deviate from their ideal or expected values, resulting in variations in device characteristics. Variations in the device characteristics cause the circuit to deviate from its expected behavior resulting in circuit instability, performance degradation, and yield loss. Both from an economic and performance standpoint, the yield and performance of Static Random Access Memories (SRAMs) are of great importance to the modern System-on-Chip designs. SRAM bitcells typically employ well-matched, minimum-sized transistors which make them highly sensitive to process variations. To overcome these challenges, researchers have proposed different topologies for SRAMs with 8T and 10T SRAM designs. These designs improve the cell stability but suffer from bitline-leakage noise, placing constraints on the number of cells shared by each bitline. These designs also have substantial area overhead when compared to the traditional 6T design. In this work, the published SRAM designs are characterized using commercial CMOS 65 nm models and are compared based on critical SRAM parameters like read stability, write stability, bitline leakage and the impact of process variations. Furthermore, a single-ended 9T SRAM design is proposed that enhances data stability and simultaneously addresses the bitline leakage problem. The proposed design also satisfies the yield criterion to achieve 90% yield for a 1Mb SRAM array in the presence of process variations

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