Computing with Spintronics: Circuits and architectures

This thesis makes the following contributions towards the design of computing platforms with spintronic devices. 1) It explores the use of spintronic memories in the design of a domain-specific processor for an emerging class of data-intensive applications, namely recognition, mining and synthesis (RMS). Two different spintronic memory technologies — Domain Wall Memory (DWM) and STT-MRAM — are utilized to realize the different levels in the memory hierarchy of the domain-specific processor, based on their respective access characteristics. Architectural tradeoffs created by the use of spintronic memories are analyzed. The proposed design achieves 1.5X-4X improvements in energy-delay product compared to a CMOS baseline. 2) It describes the first attempt to use DWM in the cache hierarchy of general-purpose processors. DWM promises unparalleled density by packing several bits of data into each bit-cell. TapeCache, the proposed DWM-based cache architecture, utilizes suitable circuit and architectural optimizations to address two key challenges (i) the high energy and latency requirement of write operations and (ii) the need for shift operations to access the data stored in each DWM bit-cell. At the circuit level, DWM bit-cells that are tailored to the distinct design requirements of different levels in the cache hierarchy are proposed. At the architecture level, TapeCache proposes suitable cache organization and management policies to alleviate the performance impact of shift operations required to access data stored in DWM bit-cells. TapeCache achieves more than 7X improvements in both cache area and energy with virtually identical performance compared to an SRAM-based cache hierarchy. 3) It investigates the design of the on-chip memory hierarchy of general-purpose graphics processing units (GPGPUs)—massively parallel processors that are optimized for data-intensive high-throughput workloads—using DWM. STAG, a high density, energy-efficient Spintronic- Tape Architecture for GPGPU cache hierarchies is described. STAG utilizes different DWM bit-cells to realize different memory arrays in the GPGPU cache hierarchy. To address the challenge of high access latencies due to shifts, STAG predicts upcoming cache accesses by leveraging unique characteristics of GPGPU architectures and workloads, and prefetches data that are both likely to be accessed and require large numbers of shift operations. STAG achieves 3.3X energy reduction and 12.1% performance improvement over CMOS SRAM under iso-area conditions. 4) While the potential of spintronic devices for memories is widely recognized, their utility in realizing logic is much less clear. The thesis presents Spintastic, a new paradigm that utilizes Stochastic Computing (SC) to realize spintronic logic. In SC, data is encoded in the form of pseudo-random bitstreams, such that the probability of a \u271\u27 in a bitstream corresponds to the numerical value that it represents. SC can enable compact, low-complexity logic implementations of various arithmetic functions. Spintastic establishes the synergy between stochastic computing and spin-based logic by demonstrating that they mutually alleviate each other\u27s limitations. On the one hand, various building blocks of SC, which incur significant overheads in CMOS implementations, can be efficiently realized by exploiting the physical characteristics of spin devices. On the other hand, the reduced logic complexity and low logic depth of SC circuits alleviates the shortcomings of spintronic logic. Based on this insight, the design of spin-based stochastic arithmetic circuits, bitstream generators, bitstream permuters and stochastic-to-binary converter circuits are presented. Spintastic achieves 7.1X energy reduction over CMOS implementations for a wide range of benchmarks from the image processing, signal processing, and RMS application domains. 5) In order to evaluate the proposed spintronic designs, the thesis describes various device-to-architecture modeling frameworks. Starting with devices models that are calibrated to measurements, the characteristics of spintronic devices are successively abstracted into circuit-level and architectural models, which are incorporated into suitable simulation frameworks. (Abstract shortened by UMI.

Energy-Aware Data Movement In Non-Volatile Memory Hierarchies

While technology scaling enables increased density for memory cells, the intrinsic high leakage power of conventional CMOS technology and the demand for reduced energy consumption inspires the use of emerging technology alternatives such as eDRAM and Non-Volatile Memory (NVM) including STT-MRAM, PCM, and RRAM. The utilization of emerging technology in Last Level Cache (LLC) designs which occupies a signifcant fraction of total die area in Chip Multi Processors (CMPs) introduces new dimensions of vulnerability, energy consumption, and performance delivery. To be specific, a part of this research focuses on eDRAM Bit Upset Vulnerability Factor (BUVF) to assess vulnerable portion of the eDRAM refresh cycle where the critical charge varies depending on the write voltage, storage and bit-line capacitance. This dissertation broaden the study on vulnerability assessment of LLC through investigating the impact of Process Variations (PV) on narrow resistive sensing margins in high-density NVM arrays, including on-chip cache and primary memory. Large-latency and power-hungry Sense Amplifers (SAs) have been adapted to combat PV in the past. Herein, a novel approach is proposed to leverage the PV in NVM arrays using Self-Organized Sub-bank (SOS) design. SOS engages the preferred SA alternative based on the intrinsic as-built behavior of the resistive sensing timing margin to reduce the latency and power consumption while maintaining acceptable access time. On the other hand, this dissertation investigates a novel technique to prioritize the service to 1) Extensive Read Reused Accessed blocks of the LLC that are silently dropped from higher levels of cache, and 2) the portion of the working set that may exhibit distant re-reference interval in L2. In particular, we develop a lightweight Multi-level Access History Profiler to effciently identify ERRA blocks through aggregating the LLC block addresses tagged with identical Most Signifcant Bits into a single entry. Experimental results indicate that the proposed technique can reduce the L2 read miss ratio by 51.7% on average across PARSEC and SPEC2006 workloads. In addition, this dissertation will broaden and apply advancements in theories of subspace recovery to pioneer computationally-aware in-situ operand reconstruction via the novel Logic In Interconnect (LI2) scheme. LI2 will be developed, validated, and re?ned both theoretically and experimentally to realize a radically different approach to post-Moore\u27s Law computing by leveraging low-rank matrices features offering data reconstruction instead of fetching data from main memory to reduce energy/latency cost per data movement. We propose LI2 enhancement to attain high performance delivery in the post-Moore\u27s Law era through equipping the contemporary micro-architecture design with a customized memory controller which orchestrates the memory request for fetching low-rank matrices to customized Fine Grain Reconfigurable Accelerator (FGRA) for reconstruction while the other memory requests are serviced as before. The goal of LI2 is to conquer the high latency/energy required to traverse main memory arrays in the case of LLC miss, by using in-situ construction of the requested data dealing with low-rank matrices. Thus, LI2 exchanges a high volume of data transfers with a novel lightweight reconstruction method under specific conditions using a cross-layer hardware/algorithm approach

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