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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
Reliable Low-Power High Performance Spintronic Memories
Moores Gesetz folgend, ist es der Chipindustrie in den letzten fĂŒnf 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 fĂŒhrt. 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 ZuverlĂ€ssigkeit dar. Eben jene Herausforderungen und die ĂŒberwĂ€ltigende Nachfrage
nach höherer Performanz und Integrationsdichte des on-Chip Speichers motivieren Forscher,
nach neuen nichtflĂŒchtigen 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 NichtflĂŒchtigkeit, Skalierbarkeit, hohe BestĂ€ndigkeit, CMOS KompatibilitĂ€t und Unan-
fĂ€lligkeit gegenĂŒber Soft-Errors. In der Spintronik reprĂ€sentiert 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 verÀndern lÀsst. Das Prob-
lem der statischen Leistung gehen die SpeichergerÀte 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 zurĂŒckzufĂŒhren, welche die von konventionellem SRAM ĂŒbersteigt. Des Weiteren ist auf
Grund des stochastischen Schaltvorgangs der Speicherzelle und des Einflusses der Prozessvari-
ation ein nicht zu vernachlĂ€ssigender Zeitraum dafĂŒr erforderlich. In diesem Zeitraum wird ein
konstanter Schreibstrom durch die Bitzelle geleitet, um den Schaltvorgang zu gewÀhrleisten.
Dieser Vorgang verursacht eine hohe Energieaufnahme. FĂŒr die Leseoperation wird gleicher-
maĂen ein beachtliches Zeitfenster benötigt, ebenfalls bedingt durch den Einfluss der Prozess-
variation. Dem gegenĂŒber stehen diverse ZuverlĂ€ssigkeitsprobleme. Dazu gehören unter An-
derem die Leseintereferenz und andere Degenerationspobleme, wie das des Time Dependent Di-
electric Breakdowns (TDDB). Diese ZuverlÀssigkeitsprobleme sind wiederum auf die benötigten
lĂ€ngeren Schaltzeiten zurĂŒckzufĂŒhren, welche in der Folge auch einen ĂŒber lĂ€ngere Zeit an-
liegenden Lese- bzw. Schreibstrom implizieren. Es ist daher notwendig, sowohl die Energie, als
auch die Latenz zur Steigerung der ZuverlÀssigkeit zu reduzieren, um daraus einen potenziellen
Kandidaten fĂŒr 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. FĂŒr Caches entwickelten wir ver-
schiedene AnsÀtze auf Schaltkreisebene, welche sowohl auf der Speicherarchitekturebene, als
auch auf der Systemebene in Bezug auf Energieaufnahme, Performanzsteigerung und Zuver-
lĂ€ssigkeitverbesserung evaluiert werden. Wir entwickeln eine Selbstabschalttechnik, sowohl fĂŒr
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. ZusÀtzlich
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 berĂŒcksichtigen, haben wir zusĂ€tzlich eine Multiport-Speicherarchitektur entworfen, welche
eine einzigartige Eigenschaft der SOT-Zelle ausnutzt, um simultan Lese- und Schreiboperatio-
nen auszufĂŒhren. Es ist daher möglich Lese/Schreib- Konfilkte auf Bitzellen-Ebene zu lösen,
was sich wiederum in einer sehr viel einfacheren Multiport- Registerbankarchitektur nieder-
schlÀgt.
ZusÀtzlich zu den SpeicheransÀtzen haben wir ebenfalls zwei Flip-Flop-Architekturen vorgestellt.
Die erste ist eine nichtflĂŒchtige 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 fĂŒr aggressives Powergating geeignet. Alles in Allem zeigt
der vorgestellte Flip-Flop-Entwurf eine Àhnliche 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 nichtflĂŒchtigen Shadow- Flip-Flops. Die zweite ist eine
fehlertolerante Flip-Flop-Architektur, welche sich unanfĂ€llig gegenĂŒber diversen Defekten und
Fehlern verhĂ€lt. Die LeistungsfĂ€higkeit aller vorgestellten Techniken wird durch ausfĂŒhrliche
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 ZuverlÀssigkeit
von spintronischen on-Chip Speichern, wie Caches, Register und Flip-Flops erreichen