New design approaches for flexible architectures and in-memory computing based on memristor technologies

par Khaled Alhaj Ali

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Amer Baghdadi et de Jalal Jomaah.

Le président du jury était Adnan Harb.

Le jury était composé de Amer Baghdadi, Jalal Jomaah, Ian O'Connor, Lorena Anghel, Rouwaida Kanj, Jean-Philippe Diguet, Mostafa Rizk.

Les rapporteurs étaient Ian O'Connor, Lorena Anghel.

  • Titre traduit

    Nouvelles approches de conception d'architectures flexibles et de calcul en mémoire basées sur les technologies des memristors


  • Résumé

    Le développement récent de nouvelles technologies de mémoires non-volatiles basées sur le concept de memristor a suscité de nombreux efforts pour explorer leur utilisation potentielle dans différents domaines d'application. Les propriétés uniques de ces dispositifs memristifs et leur compatibilité pour uneintégration avec les technologies CMOS conventionnelles permettent de nouveaux paradigmes de conception d’architecture, offrant des niveaux sans précédent de densité, de reconfigurabilité et d’efficacité énergétique. Dans ce contexte, le but de ce travail de thèse était d'explorer et d'introduire de nouvelles approches de conception basées sur les memristors pour combiner flexibilité et efficacité en proposant des architectures originales qui dépassent les limites des architectures existantes. Cette exploration et cette étude ont été menées à trois niveaux : interconnexion, traitement et mémoire. Au niveau des interconnexions, nous avons étudié l'utilisation de dispositifs memristifs pour permettre une grande flexibilité basée sur des réseaux d'interconnexion programmables. Cela a permis de proposer la première architecture de transformée de Fourier rapide reconfigurable basée sur des memristors, nommée mrFFT. Les memristors sont insérés comme des commutateurs reconfigurables au niveau des interconnexions afin d'établir un routage flexible puce. Au niveau du traitement, nous avons exploré l'utilisation de dispositifs memristifs et leur intégration avec les technologies CMOS pour la conception de fonctions logique combinatoire. Ces circuits hybrides memristor-CMOS exploitent la forte densité d'intégration des memristors afin d'améliorer les performances des implémentations numériques, et en particulier des unités arithmétiques et logiques. Au niveau mémoire, une nouvelle approche de calcul en mémoire a été introduite. Dans ce contexte, un nouveau style de conception logique a été proposé, nommé Memristor Overwrite Logic (MOL), associé à une architecture originale de mémoire de calcul. L’approche proposée permet de combiner efficacement le stockage et le traitement afin de contourner les problèmes liés aux accès mémoire et d'améliorer ainsi l'efficacité de calcul. L'approche proposée a été appliquée dans trois études de cas à des fins de validation et d'évaluation des performances.


  • Résumé

    The recent development of new non-volatile memory technologies based on the memristor concept has triggered many research efforts to explore their potential usage in different application domains. The distinctive features of memristive devices and their suitability for CMOS integration are expected to lead for novel architecture design paradigms enabling unprecedented levels of energy efficiency, density, and reconfigurability. In this context, the goal of this thesis work was to explore and introduce new memristor based designs that combine flexibility and efficiency through the proposal of original architectures that break the limits of the existing ones. This exploration and study have been conducted at three levels: interconnect, processing, and memory levels. At interconnect level, we have explored the use of memristive devices to allow high degree of flexibility based on programmable interconnects. This allows to propose the first memristor-based reconfigurable fast Fourier transform architecture, namely mrFFT. Memristors are inserted as reconfigurable switches at the level of interconnects in order to establish flexible on-chip routing. At processing level, we have explored the use of memristive devices and their integration with CMOS technologies for combinational logic design. Such hybrid memristor-CMOS designs exploit the high integration density of memristors in order to improve the performance of digital designs, and particularly arithmetic logic units. At memory level, we have explored new in-memory computing approaches and proposed a novel logic design style, namely Memristor Overwrite Logic (MOL), associated with an original MOL-based computational memory. The proposed approach allows efficient combination of storage and processing in order to bypass the memory wall problem and thus to improve the computational efficiency. The proposed approach has been applied in three real application case studies for the sake of validation and performance evaluation.


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