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

BOOLEAN AND BRAIN-INSPIRED COMPUTING USING SPIN-TRANSFER TORQUE DEVICES

Several completely new approaches (such as spintronic, carbon nanotube, graphene, TFETs, etc.) to information processing and data storage technologies are emerging to address the time frame beyond current Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) roadmap. The high speed magnetization switching of a nano-magnet due to current induced spin-transfer torque (STT) have been demonstrated in recent experiments. Such STT devices can be explored in compact, low power memory and logic design. In order to truly leverage STT devices based computing, researchers require a re-think of circuit, architecture, and computing model, since the STT devices are unlikely to be drop-in replacements for CMOS. The potential of STT devices based computing will be best realized by considering new computing models that are inherently suited to the characteristics of STT devices, and new applications that are enabled by their unique capabilities, thereby attaining performance that CMOS cannot achieve. The goal of this research is to conduct synergistic exploration in architecture, circuit and device levels for Boolean and brain-inspired computing using nanoscale STT devices. Specifically, we first show that the non-volatile STT devices can be used in designing configurable Boolean logic blocks. We propose a spin-memristor threshold logic (SMTL) gate design, where memristive cross-bar array is used to perform current mode summation of binary inputs and the low power current mode spintronic threshold device carries out the energy efficient threshold operation. Next, for brain-inspired computing, we have exploited different spin-transfer torque device structures that can implement the hard-limiting and soft-limiting artificial neuron transfer functions respectively. We apply such STT based neuron (or ‘spin-neuron’) in various neural network architectures, such as hierarchical temporal memory and feed-forward neural network, for performing “human-like” cognitive computing, which show more than two orders of lower energy consumption compared to state of the art CMOS implementation. Finally, we show the dynamics of injection locked Spin Hall Effect Spin-Torque Oscillator (SHE-STO) cluster can be exploited as a robust multi-dimensional distance metric for associative computing, image/ video analysis, etc. Our simulation results show that the proposed system architecture with injection locked SHE-STOs and the associated CMOS interface circuits can be suitable for robust and energy efficient associative computing and pattern matching

Modeling and design for energy-efficient spintronic logic devices and circuits

The objective of the proposed research is the modeling and the design of energy-efficient and scalable novel spintronic devices. Over the past two decades, spintronic devices have achieved special status due to their advantages in terms of low-voltage operation, smaller footprint area, non-volatile memory, and compatibility with CMOS technology. To design efficient spin-based systems, researchers require the precise modeling of the physics of nanomagnets, piezoelectrics, thermal noise, and metallic nanowires. Using the models developed during the research, spintronic logic devices comprised of hybrid magnetic and piezoelectric structures are proposed. The delay, energy dissipation, and footprint area of the proposed devices are analyzed. Moreover, the proposed devices are used as building blocks to propose spin-based logic gates, pattern and image recognition circuits, long-range interconnects, interface circuits, and coupled-oscillators. The performance of the proposed circuits is benchmarked against CMOS and other spin-based circuits, which shows improved performance, especially in implementing non-Boolean applications and interface circuits.Ph.D

Design and Robustness Analysis on Non-volatile Storage and Logic Circuit

By combining the flexibility of MOS logic and the non-volatility of spintronic devices, spin-MOS logic and storage circuitry offer a promising approach to implement highly integrated, power-efficient, and nonvolatile computing and storage systems. Besides the persistent errors due to process variations, however, the functional correctness of Spin-MOS circuitry suffers from additional non-persistent errors that are incurred by the randomness of spintronic device operations, i.e., thermal fluctuations. This work quantitatively investigates the impact of thermal fluctuations on the operations of two typical Spin-MOS circuitry: one transistor and one magnetic tunnel junction (1T1J) spin-transfer torque random access memory (STT-RAM) cell and a nonvolatile latch design. A new nonvolatile latch design is proposed based on magnetic tunneling junction (MTJ) devices. In the standby mode, the latched data can be retained in the MTJs without consuming any power. Two types of operation errors can occur, namely, persistent and non-persistent errors. These are quantitatively analyzed by including models for process variations and thermal fluctuations during the read and write operations. A mixture importance sampling methodology is applied to enable yield-driven design and extend its application beyond memories to peripheral circuits and logic blocks. Several possible design techniques to reduce thermal induced non-persistent error rate are also discussed

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