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

Reliable and Energy Efficient MLC STT-RAM Buffer for CNN Accelerators

We propose a lightweight scheme where the formation of a data block is changed in such a way that it can tolerate soft errors significantly better than the baseline. The key insight behind our work is that CNN weights are normalized between -1 and 1 after each convolutional layer, and this leaves one bit unused in half-precision floating-point representation. By taking advantage of the unused bit, we create a backup for the most significant bit to protect it against the soft errors. Also, considering the fact that in MLC STT-RAMs the cost of memory operations (read and write), and reliability of a cell are content-dependent (some patterns take larger current and longer time, while they are more susceptible to soft error), we rearrange the data block to minimize the number of costly bit patterns. Combining these two techniques provides the same level of accuracy compared to an error-free baseline while improving the read and write energy by 9% and 6%, respectively

Electron Spin for Classical Information Processing: A Brief Survey of Spin-Based Logic Devices, Gates and Circuits

In electronics, information has been traditionally stored, processed and communicated using an electron's charge. This paradigm is increasingly turning out to be energy-inefficient, because movement of charge within an information-processing device invariably causes current flow and an associated dissipation. Replacing charge with the "spin" of an electron to encode information may eliminate much of this dissipation and lead to more energy-efficient "green electronics". This realization has spurred significant research in spintronic devices and circuits where spin either directly acts as the physical variable for hosting information or augments the role of charge. In this review article, we discuss and elucidate some of these ideas, and highlight their strengths and weaknesses. Many of them can potentially reduce energy dissipation significantly, but unfortunately are error-prone and unreliable. Moreover, there are serious obstacles to their technological implementation that may be difficult to overcome in the near term. This review addresses three constructs: (1) single devices or binary switches that can be constituents of Boolean logic gates for digital information processing, (2) complete gates that are capable of performing specific Boolean logic operations, and (3) combinational circuits or architectures (equivalent to many gates working in unison) that are capable of performing universal computation.Comment: Topical Revie

Leveraging the Intrinsic Switching Behaviors of Spintronic Devices for Digital and Neuromorphic Circuits

With semiconductor technology scaling approaching atomic limits, novel approaches utilizing new memory and computation elements are sought in order to realize increased density, enhanced functionality, and new computational paradigms. Spintronic devices offer intriguing avenues to improve digital circuits by leveraging non-volatility to reduce static power dissipation and vertical integration for increased density. Novel hybrid spintronic-CMOS digital circuits are developed herein that illustrate enhanced functionality at reduced static power consumption and area cost. The developed spin-CMOS D Flip-Flop offers improved power-gating strategies by achieving instant store/restore capabilities while using 10 fewer transistors than typical CMOS-only implementations. The spin-CMOS Muller C-Element developed herein improves asynchronous pipelines by reducing the area overhead while adding enhanced functionality such as instant data store/restore and delay-element-free bundled data asynchronous pipelines. Spintronic devices also provide improved scaling for neuromorphic circuits by enabling compact and low power neuron and non-volatile synapse implementations while enabling new neuromorphic paradigms leveraging the stochastic behavior of spintronic devices to realize stochastic spiking neurons, which are more akin to biological neurons and commensurate with theories from computational neuroscience and probabilistic learning rules. Spintronic-based Probabilistic Activation Function circuits are utilized herein to provide a compact and low-power neuron for Binarized Neural Networks. Two implementations of stochastic spiking neurons with alternative speed, power, and area benefits are realized. Finally, a comprehensive neuromorphic architecture comprising stochastic spiking neurons, low-precision synapses with Probabilistic Hebbian Plasticity, and a novel non-volatile homeostasis mechanism is realized for subthreshold ultra-low-power unsupervised learning with robustness to process variations. Along with several case studies, implications for future spintronic digital and neuromorphic circuits are presented

Energy efficient hybrid computing systems using spin devices

Emerging spin-devices like magnetic tunnel junctions (MTJ\u27s), spin-valves and domain wall magnets (DWM) have opened new avenues for spin-based logic design. This work explored potential computing applications which can exploit such devices for higher energy-efficiency and performance. The proposed applications involve hybrid design schemes, where charge-based devices supplement the spin-devices, to gain large benefits at the system level. As an example, lateral spin valves (LSV) involve switching of nanomagnets using spin-polarized current injection through a metallic channel such as Cu. Such spin-torque based devices possess several interesting properties that can be exploited for ultra-low power computation. Analog characteristic of spin current facilitate non-Boolean computation like majority evaluation that can be used to model a neuron. The magneto-metallic neurons can operate at ultra-low terminal voltage of ∼20mV, thereby resulting in small computation power. Moreover, since nano-magnets inherently act as memory elements, these devices can facilitate integration of logic and memory in interesting ways. The spin based neurons can be integrated with CMOS and other emerging devices leading to different classes of neuromorphic/non-Von-Neumann architectures. The spin-based designs involve `mixed-mode\u27 processing and hence can provide very compact and ultra-low energy solutions for complex computation blocks, both digital as well as analog. Such low-power, hybrid designs can be suitable for various data processing applications like cognitive computing, associative memory, and currentmode on-chip global interconnects. Simulation results for these applications based on device-circuit co-simulation framework predict more than ∼100x improvement in computation energy as compared to state of the art CMOS design, for optimal spin-device parameters