Modélisation et conception de circuits à base de mémoires non-volatiles résistives innovantes

Compact modeling and circuit design of resistive memory devices for innovative applications

• Auteur / Autrice : Santhosh Onkaraiah
• Direction : Christophe Muller, Jean-Michel Portal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanoélectronique
• Date : Soutenance le 18/11/2013
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Ian O'Connor
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Michel Portal, Fabien Clermidy, Amara Amara
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cristell Maneux, Lionel Torres

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mémoires flash

Ordinateurs -- Mémoires à accès sélectif

Gestion mémoire (informatique)

Mots clés libres

OxRRAM

CBRAM

RRAM

Modele compacte

NVFPGA

NVFF

1T-2R

OxRRAM

CBRAM

RRAM

Compact modeling

NVFPGA

NVFF

1T-2R

NVSWITCH

Résumé

Les limites rencontrées par les dernières générations de mémoires Flash et DRAM (Dynamic Random Access Memory) nécessitent la recherche de nouvelles variables physiques (autres que la charge et la tension), de nouveaux dispositifs ainsi que de nouvelles architectures de circuits. Plusieurs dispositifs à résistance variable sont très prometteurs. Parmi eux, les OxRRAMs (Oxide Resistive Random Access Memory) et les CBRAMs (Conductive Bridge Random Access Memory) sont de sérieux candidats pour la prochaine génération de mémoire dense. Ce travail se concentre donc sur le rôle des mémoires résistives (OxRRAM et CBRAM) dans les mémoires embarquées et plus particulièrement dans les FPGAs. Pour cela, nous avons développé un modèle compact, outil indispensable à la conception de circuits intégrés. Ensuite, nous avons conçus de nouveaux circuits non volatiles tels que des flips-flops (NVFF), des tables de correspondance (NVLUT), des commutateurs 2x2 ainsi que des SRAMs (NVSRAM). Ces structures ont finalement été simulées dans le cas d’un FPGA, afin de vérifier l’impact de celles-ci sur la surface, le délai ainsi que la puissance. Nous avons comparé les résultats pour un FPGA à base de NVLUTs utilisant une structure 1T-2R composée de CBRAMs par rapport à un FPGA plus classique utilisant des SRAMs. Nous réduisons ainsi la taille de 5%, la consommation de 18% et améliorons la vitesse de fonctionnement de 24%. La thèse aborde la modélisation compacte, la conception des circuits, et l’évaluation de systèmes incluant des mémoires résistives.

The grave challenges to future of traditional memories (flash and DRAM) at 1X nm regime has resulted in increased quest for new physical state variables (other than charge or voltage), new devices and architectures offering memory and logic functions beyond traditional transistors. Many thin film devices with resistance change phenomena have been extensively reported as ’promising candidates’. Among them, Ox- ide Resistive Memory (OxRRAM) and Conductive Bridge Resistive Memory (CBRAM) are leading contenders for the next generation high density memories. In this work, we focus on the role of Resistive Memories in embedded memories and their impact on FPGAs in particular. We begin with the discussion on the compact modeling of resistive memory devices for design enabling, we have designed novel circuits of non- volatile flip-flop (NVFF), non-volatile look-up table (NVLUT), non-volatile 2x2 switch and non-volatile SRAM (NVSRAM) using Resistive Memories. We simulated the impact of these design structures on the FPGA system assessing the performance parameters of area, delay and power. By using the novel 1T-2R memory element concept of CBRAMs in FPGAs to implement Look-up Tables (NVLUT), we would scale down the area impact by 5%, enhance speed by 24% and reduce the power by 18% compared to SRAM based FPGAs. The thesis addresses aspects of compact modeling, circuit design and system evaluation using resistive memories.