Reliable Low-Power High Performance Spintronic Memories
Creators: name: Bishnoi, Rajendra Kumar
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2017
Subjects: Spintronics
Magnetic Random Access Memories (MRAM)
Spin Transfer Torque
Spin Orbit Torque
Cache
Flip-flop
Register-file
low-power
multi-ported memories
circuit design
Static power
Memories
Magnetic Tunnel Junction
Latch
high performance
Emerging Technologies
Computer Architecture

description: 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.