Applications of Multi-Terminal Memristive Devices: A Review

Memristive devices have the potential for a complete renewal of the electron devices landscape, including memory, logic and sensing applications. This is especially true when considering that the memristive functionality is not limited to two-terminal devices, whose practical realization has been demonstrated within a broad range of different technologies. For electron devices, the memristive functionality can be generally attributed to a state modification, whose dynamics can be engineered to target a specific application. In this review paper, we show examples of two-terminal Resistive RAMs (ReRAM) for standalone memory and Field Programmable Gate Arrays (FPGA) applications. Moreover, a Generic Memory Structure (GMS) utilizing two ReRAMs for 3D-FPGA is discussed. In addition, we show that trap charging dynamics can explain some of the memristive effects previously reported for Schottky-barrier field-effect Si nanowire transistors (SB SiNW FETs). Moreover, the SB SiNW FETs do show additional memristive functionality due to trap charging at the metal/semiconductor surface. The combination of these two memristive effects into multi-terminal MOSFET devices gives rise to new opportunities for both memory and logic applications as well as new sensors based on the physical mechanism that originate memristance. Finally, the multi-terminal memristive devices presented here have the potential of a very high integration density, and they are suitable for hybrid CMOS co-fabrication with a CMOS-compatible process

Cell Transformations and Physical Design Techniques for 3D Monolithic Integrated Circuits

3D monolithic integration (3DMI), also termed as sequential integration, is a potential technology for future gigascale circuits. In 3DMI technology the 3D contacts, connecting different active layers, are in the order of few 100 nm. Given the advantage of such small contacts, 3DMI enables fine-grain (gate-level) partitioning of circuits. In this work we present three cell transformation techniques for standard cell based ICs with 3DMI technology. As a major contribution of this work, we propose a design flow comprising of a cell transformation technique, cell-on-cell stacking, and a physical design technique (CELONCELPD) aimed at placing cells transformed with cell-on-cell stacking. We analyze and compare various cell transformation techniques for 3DMI technology without disrupting the regularity of the IC design flow. Our experiments demonstrate the effectiveness of CELONCEL design technique, yielding us an area reduction of 37.5%, 16.2% average reduction in wirelength, and 6.2% average improvement in overall delay, compared with a 2D case when benchmarked across various designs in 45nm technology node

Implementação de modelos de redes de Petri em hardware de lógica reconfigurável

In this research work, was performed a study of main types of hardware modeling tools searching to verify the advantages of utilizing for modeling dynamic and concurrent systems and for its hardware implementation. It was observed that even though there are tools for this purpose, exists some points that may be worked out to facilitate access to this technology. So, was developed a method for facilitate implementation of systems modeled in Petri nets, in reconfigurable logic hardware. For that, was utilized a capture software where, from the graphic of the Petri net model, is generated a description in PNML (Petri Net Markup Language) format. From this description, is generated a hardware description file in VHDL (VHSIC Hardware Description Language) format, that may be loaded in a reconfigurable logic circuit. To make possible this stage, was performed the development of tool that generate a file in VHDL language from the description in PNML format. The developed tool is described in details, showing all stages and criteria utilized in the conversion. To validate the method, is showed an application example for this toll with the implementation in FPGA (Field Programmable Gate Arrow), of a Petri net modeling a hypothetic industrial plant. Finally, a performance comparison is made between the model executed in hardware and the model executed in software.Neste trabalho de pesquisa, foi realizado um estudo dos principais tipos de ferramentas para modelagem de hardware buscando-se verificar as vantagens da utilização de Redes de Petri para a modelagem de sistemas dinâmicos e concorrentes e de sua implementação em hardware. Observou-se que apesar de existirem ferramentas para esta finalidade, existem pontos que podem ser trabalhados para facilitar o acesso a esta tecnologia. Assim, foi desenvolvido um método para facilitar a implementação de sistemas modelados em Redes de Petri, em hardware de lógica reconfigurável. Para isto, utilizou-se um software de captura onde, a partir do gráfico do modelo em Rede de Petri, é gerado um arquivo de descrição no formato PNML - Linguagem de Marcação para Rede de Petri (Petri Net Markup Language). A partir desta descrição, é gerado um arquivo de descrição de hardware no formato VHDL - Linguagem de Descrição de Hardware VHSIC (VHSIC Hardware Description Language), que pode ser gravado em um circuito de lógica reconfigurável. Para possibilitar esta etapa, foi realizado o desenvolvimento de uma ferramenta que gera um arquivo em linguagem VHDL a partir da descrição no formato PNML. A ferramenta desenvolvida é descrita em detalhes, mostrando todas as etapas e critérios utilizados na conversão. Para validar o método, é mostrado um exemplo de aplicação com a implementação em FPGA - Matriz de Portas Programável em Campo (Field Programmable Gate Arrow), de uma Rede de Petri modelando uma planta industrial hipotética. Finalmente é feita uma comparação de desempenho entre o modelo executado em hardware com o modelo executado em software

An organic memristor as the building block for bio-inspired adaptive networks

This thesis reports the research path I followed during my PhD course, which i followed from January 2008 to December 2010 working at the University of Parma, in the Laboratory of Molecular Nanotechnologies, under the supervision of Prof. Marco P. Fontana and Dr. Victor Erokhin, within the framework of an interdisciplinary, international research project called BION – Biologically inspired Organized Networks. The keystone of my research is an organic memristor, a two terminal polymeric electronic device recently developed in our research group at the university of Parma. A memristor is a passive electronic device in which the electrical resistance depends on the electrical charge that has passed through it, and hence is adjustable by applying the appropriate electric potential or sequence of potentials. As of the beginning of my PhD, the device was in its early characterization stages, but it was already clear that it could be used to mimic the kind of plasticity found in synapses within neuronal circuits. In the thesis I show some further characterization work, used for engineering the device to maximize its more useful characteristics and to deepen our understanding of the functioning of the device, as well as the work done on. The knowledge of computational neuroscience acquired during this side project has proved very useful to better coordinate research in the material science side of the project, whose ultimate goal is the realization of a new, highly innovative technology for the production of functional molecular assemblies that can perform advanced tasks of information processing, involving learning and decision making, and that can be tailored down to the nanoscale.Questa tesi riporta il percorso di ricerca seguito durante il mio dottorato di ricerca, che ho svolto da gennaio 2008 a dicembre 2010 lavorando nel Laboratorio di Nanotecnologie Molecolari, presso l'Università di Parma, , sotto la supervisione del Prof. Marco P. Fontana e del Dott. Victor Erokhin, nel quadro di un approccio interdisciplinare, progetto di ricerca internazionale denominato BION - Biologically ispired Organized Networks . La chiave di svolta della mia ricerca è un memristor organico, un dispositivo a due terminali elettronici polimerici recentemente messo a punto nel nostro gruppo di ricerca presso l'università di Parma. Un memristor è un dispositivo elettronico passivo in cui la resistenza elettrica dipende dalla carica elettrica che è passata attraverso di essa, e quindi è regolabile applicando il potenziale elettrico appropriato o una sequenza di potenziali. A partire dall'inizio del mio dottorato di ricerca, il dispositivo è stato nelle sue fasi di caratterizzazione iniziale, ma era già chiaro che poteva essere usata per simulare il tipo di plasticità trovato in sinapsi all'interno di circuiti neuronali. Nella tesi ho mostrato un ulteriore lavoro di caratterizzazione, utilizzato per l'ingegneria del dispositivo al fine di massimizzare le sue caratteristiche più utili e di approfondire la nostra comprensione del funzionamento del dispositivo, così come il lavoro svolto. La conoscenza delle neuroscienze computazionali acquisite nel corso di questo progetto parallelo si è rivelato molto utile per meglio coordinare la ricerca per quanto riguarda il materiale scientifico del progetto, il cui scopo ultimo è la realizzazione di una nuova tecnologia altamente innovativa per la produzione di composti molecolari funzionali in grado di eseguire attività avanzate di elaborazione delle informazioni, che coinvolgano l'apprendimento e il processo decisionale, e che può essere adattata fino alla scala nanometrica

Performance benefits of monolithically stacked 3d-fpga

The performance benefits of a monolithically stacked 3D-FPGA, whereby the programming overhead of an FPGA is stacked on top of a standard CMOS layer containing the logic blocks and interconnects, are investigated. A Virtex-II style 2D-FPGA fabric is used as a baseline for quantifying the relative improvements in logic density, delay, and power consumption achieved by such a 3D-FPGA. It is assumed that only the pass-transistor switches and configuration memory cells can be moved to the top layers and that the 3D-FPGA employs the same logic block and programmable interconnect architecture as the baseline 2D-FPGA. Assuming a configuration memory cell that is ≤ 0.7 the area of an SRAM cell and pass-transistor switches having the same characteristics as nMOS devices in the CMOS layer are used, it is shown that a monolithically stacked 3D-FPGA can achieve 3.2 times higher logic density, 1.7 times lower critical path delay, and 1.7 times lower total dynamic power consumption than the baseline 2D-FPGA fabricated in the same 65nm technology node

The Customizable Virtual FPGA: Generation, System Integration and Configuration of Application-Specific Heterogeneous FPGA Architectures

In den vergangenen drei Jahrzehnten wurde die Entwicklung von Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stark von Moore’s Gesetz, Prozesstechnologie (Skalierung) und kommerziellen Märkten beeinflusst. State-of-the-Art FPGAs bewegen sich einerseits dem Allzweck näher, aber andererseits, da FPGAs immer mehr traditionelle Domänen der Anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) ersetzt haben, steigen die Effizienzerwartungen. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung können Effizienzsteigerungen nicht mehr auf Technologie-Skalierung allein zurückgreifen. Diese Facetten und Trends in Richtung rekonfigurierbarer System-on-Chips (SoCs) und neuen Low-Power-Anwendungen wie Cyber Physical Systems und Internet of Things erfordern eine bessere Anpassung der Ziel-FPGAs. Neben den Trends für den Mainstream-Einsatz von FPGAs in Produkten des täglichen Bedarfs und Services wird es vor allem bei den jüngsten Entwicklungen, FPGAs in Rechenzentren und Cloud-Services einzusetzen, notwendig sein, eine sofortige Portabilität von Applikationen über aktuelle und zukünftige FPGA-Geräte hinweg zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang kann die Hardware-Virtualisierung ein nahtloses Mittel für Plattformunabhängigkeit und Portabilität sein. Ehrlich gesagt stehen die Zwecke der Anpassung und der Virtualisierung eigentlich in einem Konfliktfeld, da die Anpassung für die Effizienzsteigerung vorgesehen ist, während jedoch die Virtualisierung zusätzlichen Flächenaufwand hinzufügt. Die Virtualisierung profitiert aber nicht nur von der Anpassung, sondern fügt auch mehr Flexibilität hinzu, da die Architektur jederzeit verändert werden kann. Diese Besonderheit kann für adaptive Systeme ausgenutzt werden. Sowohl die Anpassung als auch die Virtualisierung von FPGA-Architekturen wurden in der Industrie bisher kaum adressiert. Trotz einiger existierenden akademischen Werke können diese Techniken noch als unerforscht betrachtet werden und sind aufstrebende Forschungsgebiete. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Generierung von FPGA-Architekturen, die auf eine effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten sind. Im Gegensatz zum üblichen Ansatz mit kommerziellen FPGAs, bei denen die FPGA-Architektur als gegeben betrachtet wird und die Applikation auf die vorhandenen Ressourcen abgebildet wird, folgt diese Arbeit einem neuen Paradigma, in dem die Applikation oder Applikationsklasse fest steht und die Zielarchitektur auf die effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten ist. Dies resultiert in angepassten anwendungsspezifischen FPGAs. Die drei Säulen dieser Arbeit sind die Aspekte der Virtualisierung, der Anpassung und des Frameworks. Das zentrale Element ist eine weitgehend parametrierbare virtuelle FPGA-Architektur, die V-FPGA genannt wird, wobei sie als primäres Ziel auf jeden kommerziellen FPGA abgebildet werden kann, während Anwendungen auf der virtuellen Schicht ausgeführt werden. Dies sorgt für Portabilität und Migration auch auf Bitstream-Ebene, da die Spezifikation der virtuellen Schicht bestehen bleibt, während die physische Plattform ausgetauscht werden kann. Darüber hinaus wird diese Technik genutzt, um eine dynamische und partielle Rekonfiguration auf Plattformen zu ermöglichen, die sie nicht nativ unterstützen. Neben der Virtualisierung soll die V-FPGA-Architektur auch als eingebettetes FPGA in ein ASIC integriert werden, das effiziente und dennoch flexible System-on-Chip-Lösungen bietet. Daher werden Zieltechnologie-Abbildungs-Methoden sowohl für Virtualisierung als auch für die physikalische Umsetzung adressiert und ein Beispiel für die physikalische Umsetzung in einem 45 nm Standardzellen Ansatz aufgezeigt. Die hochflexible V-FPGA-Architektur kann mit mehr als 20 Parametern angepasst werden, darunter LUT-Grösse, Clustering, 3D-Stacking, Routing-Struktur und vieles mehr. Die Auswirkungen der Parameter auf Fläche und Leistung der Architektur werden untersucht und eine umfangreiche Analyse von über 1400 Benchmarkläufen zeigt eine hohe Parameterempfindlichkeit bei Abweichungen bis zu ±95, 9% in der Fläche und ±78, 1% in der Leistung, was die hohe Bedeutung von Anpassung für Effizienz aufzeigt. Um die Parameter systematisch an die Bedürfnisse der Applikation anzupassen, wird eine parametrische Entwurfsraum-Explorationsmethode auf der Basis geeigneter Flächen- und Zeitmodellen vorgeschlagen. Eine Herausforderung von angepassten Architekturen ist der Entwurfsaufwand und die Notwendigkeit für angepasste Werkzeuge. Daher umfasst diese Arbeit ein Framework für die Architekturgenerierung, die Entwurfsraumexploration, die Anwendungsabbildung und die Evaluation. Vor allem ist der V-FPGA in einem vollständig synthetisierbaren generischen Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) Code konzipiert, der sehr flexibel ist und die Notwendigkeit für externe Codegeneratoren eliminiert. Systementwickler können von verschiedenen Arten von generischen SoC-Architekturvorlagen profitieren, um die Entwicklungszeit zu reduzieren. Alle notwendigen Konstruktionsschritte für die Applikationsentwicklung und -abbildung auf den V-FPGA werden durch einen Tool-Flow für Entwurfsautomatisierung unterstützt, der eine Sammlung von vorhandenen kommerziellen und akademischen Werkzeugen ausnutzt, die durch geeignete Modelle angepasst und durch ein neues Werkzeug namens V-FPGA-Explorer ergänzt werden. Dieses neue Tool fungiert nicht nur als Back-End-Tool für die Anwendungsabbildung auf dem V-FPGA sondern ist auch ein grafischer Konfigurations- und Layout-Editor, ein Bitstream-Generator, ein Architekturdatei-Generator für die Place & Route Tools, ein Script-Generator und ein Testbenchgenerator. Eine Besonderheit ist die Unterstützung der Just-in-Time-Kompilierung mit schnellen Algorithmen für die In-System Anwendungsabbildung. Die Arbeit schliesst mit einigen Anwendungsfällen aus den Bereichen industrielle Prozessautomatisierung, medizinische Bildgebung, adaptive Systeme und Lehre ab, in denen der V-FPGA eingesetzt wird