Applications des technologies mémoires MRAM appliquées aux processeurs embarqués

MRAM applied to Embedded Processors Architecture and Memory Hierarchy

• Auteur / Autrice : Luís Vitório Cargnini
• Direction : Lionel Torres, Gilles Sassatelli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : SYAM - Systèmes Automatiques et Microélectroniques
• Date : Soutenance le 12/11/2013
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacques-Olivier Klein
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Torres, Gilles Sassatelli, Jacques-Olivier Klein, Guy Gogniat, Bertrand Granado, Daniel Etiemble, Guillaume Prenat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guy Gogniat, Bertrand Granado

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes sur puce

Hiérarchie de mémoire (informatique)

Circuits intégrés à très grande échelle

Ordinateurs -- Mémoires magnétiques

Systèmes embarqués (informatique)

Moore, Loi de

Microélectronique

Semiconducteurs

Mots clés libres

Architecture de Processeur

Mram

Vlsi

Hiérarchie Mémoire

Semiconductors

Systèmes sur Puce

Processor Architecture

Mram

Vlsi

Memory Hierarchy

Semiconductors

System on Chip

Résumé

Le secteur Semi-conducteurs avec l'avènement de fabrication submicroniques coule dessous de 45 nm ont commencé à relever de nouveaux défis pour continuer à évoluer en fonction de la loi de Moore. En ce qui concerne l'adoption généralisée de systèmes embarqués une contrainte majeure est devenu la consommation d'énergie de l'IC. En outre, les technologies de mémoire comme le standard actuel de la technologie de mémoire intégré pour la hiérarchie de la mémoire, la mémoire SRAM, ou le flash pour le stockage non-volatile ont des contraintes complexes extrêmes pour être en mesure de produire des matrices de mémoire aux nœuds technologiques 45 nm ci-dessous. Un important est jusqu'à présent mémoire non volatile n'a pas été adopté dans la hiérarchie mémoire, en raison de sa densité et comme le flash sur la nécessité d'un fonctionnement multi-tension.Ces thèses ont fait, par le travail dans l'objectif de ces contraintes et de fournir quelques réponses. Dans la thèse sera présenté méthodes et les résultats extraits de ces méthodes pour corroborer notre objectif de définir une feuille de route à adopter une nouvelle technologie de mémoire non volatile, de faible puissance, à faible fuite, SEU / MEU-résistant, évolutive et avec similaire le rendement en courant de la SRAM, physiquement équivalente à SRAM, ou encore mieux, avec une densité de surface de 4 à 8 fois la surface d'une cellule SRAM, sans qu'il soit nécessaire de domaine multi-tension comme FLASH. Cette mémoire est la MRAM (mémoire magnétique), selon l'ITRS avec un candidat pour remplacer SRAM dans un proche avenir. MRAM au lieu de stocker une charge, ils stockent l'orientation magnétique fournie par l'orientation de rotation-couple de l'alliage sans la couche dans la MTJ (Magnetic Tunnel Junction). Spin est un état quantical de la matière, que dans certains matériaux métalliques peuvent avoir une orientation ou son couple tension à appliquer un courant polarisé dans le sens de l'orientation du champ souhaitée.Une fois que l'orientation du champ magnétique est réglée, en utilisant un amplificateur de lecture, et un flux de courant à travers la MTJ, l'élément de cellule de mémoire de MRAM, il est possible de mesurer l'orientation compte tenu de la variation de résistance, plus la résistance plus faible au passage de courant, le sens permettra d'identifier un zéro logique, diminuer la résistance de la SA détecte une seule logique. Donc, l'information n'est pas une charge stockée, il s'agit plutôt d'une orientation du champ magnétique, raison pour laquelle il n'est pas affecté par SEU ou MEU due à des particules de haute énergie. En outre, il n'est pas dû à des variations de tensions de modifier le contenu de la cellule de mémoire, le piégeage charges dans une grille flottante.En ce qui concerne la MRAM, cette thèse a par adresse objective sur les aspects suivants: MRAM appliqué à la hiérarchie de la mémoire:- En décrivant l'état actuel de la technique dans la conception et l'utilisation MRAM dans la hiérarchie de mémoire;- En donnant un aperçu d'un mécanisme pour atténuer la latence d'écriture dans MRAM au niveau du cache (Principe de banque de mémoire composite);- En analysant les caractéristiques de puissance d'un système basé sur la MRAM sur Cache L1 et L2, en utilisant un débit d'évaluation dédié- En proposant une méthodologie pour déduire une consommation d'énergie du système et des performances.- Et pour la dernière base dans les banques de mémoire analysant une banque mémoire Composite, une description simple sur la façon de générer une banque de mémoire, avec quelques compromis au pouvoir, mais la latence équivalente à la SRAM, qui maintient des performances similaires.

The Semiconductors Industry with the advent of submicronic manufacturing flows below 45 nm began to face new challenges to keep evolving according with the Moore's Law. Regarding the widespread adoption of embedded systems one major constraint became power consumption of IC. Also, memory technologies like the current standard of integrated memory technology for memory hierarchy, the SRAM, or the FLASH for non-volatile storage have extreme intricate constraints to be able to yield memory arrays at technological nodes below 45nm. One important is up until now Non-Volatile Memory weren't adopted into the memory hierarchy, due to its density and like flash the necessity of multi-voltage operation. These theses has by objective work into these constraints and provide some answers. Into the thesis will be presented methods and results extracted from this methods to corroborate our goal of delineate a roadmap to adopt a new memory technology, non-volatile, low-power, low-leakage, SEU/MEU-resistant, scalable and with similar performance as the current SRAM, physically equivalent to SRAM, or even better with a area density between 4 to 8 times the area of a SRAM cell, without the necessity of multi-voltage domain like FLASH. This memory is the MRAM (Magnetic Memory), according with the ITRS one candidate to replace SRAM in the near future. MRAM instead of storing charge, they store the magnetic orientation provided by the spin-torque orientation of the free-layer alloy in the MTJ (Magnetic Tunnel Junction). Spin is a quantical state of matter, that in some metallic materials can have it orientation or its torque switched applying a polarized current in the sense of the field orientation desired. Once the magnetic field orientation is set, using a sense amplifier, and a current flow through the MTJ, the memory cell element of MRAM, it is possible to measure the orientation given the resistance variation, higher the resistance lower the passing current, the sense will identify a logic zero, lower the resistance the SA will sense a one logic. So the information is not a charge stored, instead it is a magnetic field orientation, reason why it is not affected by SEU or MEU caused due to high energy particles. Also it is not due to voltages variations to change the memory cell content, trapping charges in a floating gate. Regarding the MRAM, this thesis has by objective address the following aspects: MRAM applied to memory Hierarchy: - By describing the current state of the art in MRAM design and use into memory hierarchy; - by providing an overview of a mechanism to mitigate the latency of writing into MRAM at the cache level (Principle to composite memory bank); - By analyzing power characteristics of a system based on MRAM on CACHE L1 and L2, using a dedicated evaluation flow- by proposing a methodology to infer a system power consumption, and performances.- and for last based into the memory banks analysing a Composite Memory Bank, a simple description on how to generate a memory bank, with some compromise in power, but equivalent latency to the SRAM, that keeps similar performance.