Circuits logiques non-volatiles programmables utilisant les composants magnétiques

Conception, evaluation and development of the non-volatile programmable logic circuits using the Magnetic Tunnel Junction (MTJ)

• Auteur / Autrice : Weisheng Zhao
• Direction : Eric Belhaire, Claude Chappert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Spintronique

Circuits logiques

Mots clés libres

Circuit logique reconfigurable

Jonction Tunnel Magnétique (JTM)

Amplificateur du sens

Générateur de fonctions logiques

Modèle compact

Résumé

Ces 20 dernières années, les circuits logiques programmables se sont développés rapidement, notamment grâce à l’avantage présenté par leur reconfigurabilité, leur facilité d’utilisation et le prix réduit de leur procédé de développement. Cependant, la volatilité intrinsèque de leur technologie de réalisation (CMOS) est à l’origine des inconvénients pour ces circuits, tels que : la perte de données en cas de pannes d’alimentation, la latence longue pour initialiser le système à chaque démarrage et la consommation d’énergie en état veille à cause des courants de fuite. Ce dernier point est devenu un défi majeur avec la minimisation des transistors sous 90nm. Ces dernières années, de nombreuses technologies émergentes ont été proposées et explorées pour résoudre ces inconvénients. Parmi celles-ci, les technologies magnétiques, basées sur la spintronique, sont parmi les plus performantes et pratiquement réalisables. Ce travail de thèse porte sur l’étude, la conception, la simulation et la réalisation des circuits reconfigurables combinant une technologie CMOS avancée et les technologies non-volatiles émergentes basées sur la nano-spintronique. Les Jonctions Tunnel Magnétiques (JTM) ont été plus particulièrement étudiées selon plusieurs modes d’écriture (écriture par champ et par transfert de spin). Des circuits hybrides ont été tout d’abord conçus et simulés électriquement. Ils montrent de grands potentiels en terme de vitesse, de non-volatilité et de consommation par rapport aux circuits classiques. Ils permettraient également des nouvelles architectures de calcul et des modes de reconfigurations avancés. Enfin, un prototype a été développé pour démontrer les comportements et performances de ces circuits de la manière physique.

Over the past 20 years, programmable logic circuits have grown rapidly, particularly through the advantages presented by their reconfigurability, ease of use and low cost of their development process. However, the inherent volatility of CMOS technology based on charge storage is the source of inconvenient for these circuits, such as: data loss in case of power failure, the long latency to initialize the system at each (re) start-up and increasing high standby power due to the leakage currents. This last point has become a major challenge as the shrinking of transistors down to 90nm or below. In recent years, numerous emerging technologies have been proposed and explored to overcome these problems. Among them, Spintronics technology, is among the most efficient and practical solutions. This thesis focuses on the study, design, simulation and implementation of reconfigurable circuits combining CMOS technology and advanced non-volatile emerging technologies based on Nano Spintronics. The Magnetic Tunnel Junction (MTJ) was particularly studied based on three modes of writing such as Spin Transfer Torque (STT). The hybrid circuits were first designed and simulated electrically. They show great potential in terms of speed, non-volatility and power compared to conventional circuits. They would promise also new computing architectures and some advanced reconfiguration methods. Finally, a prototype was developed to demonstrate the behaviour and performance of these circuits.