Conception de FPGA non volatil à base de MRAM pour applications spatiales

Spintronics-based non-volatile FPGA development for space applications

• Auteur / Autrice : Noé Blanc
• Direction : Ioan-Lucian Prejbeanu
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nano électronique et Nano technologies
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et Technologie des Composants

Mots clés

Mots clés libres

FPGA durci aux radiations

Hybridation CMOS/MRAM

Conception circuits intégrés

Spintronique

Applications spatiales

Mram

Spintronics

Space applications

Radiation hardened FPGA

Mram

CMOS/MRAM Hybridization

Integrated circuit design

Résumé

L'objectif de cette thèse est d'évaluer l'utilisation des mémoires magnétiques pour les applications spatiales en tirant profit de leurs avantages de densité, de non volatilité et de leur insensibilité aux radiations ionisantes. Depuis plusieurs années, la place des applications spatiales dans le monde devient stratégique au plus haut niveau des états (diplomatique, financier, technique, etc.). Le domaine du durcissement aux radiations est très sensible pour de nombreuses raisons, notamment de sécurité. La procédure de qualification des procédés et des technologies est extrêmement précise et sélective. C'est pourquoi la migration d'une technologie CMOS vers une technologie CMOS plus récente dans le domaine du spatial est complexe et prend du temps. En microélectronique, on peut distinguer deux familles de circuits intégrés. La première est liée aux ASIC (Application Specific Integrated Circuit) et la seconde famille, sur laquelle nous nous concentrons pour cette thèse, est celle des FPGA (Field Programmable Gate Array) qui est dédiée à l'électronique numérique. Le principal avantage des FPGA est qu'ils sont reprogrammables. Ces circuits sont composés de plusieurs cellules logiques élémentaires programmables reliées entre elles par un système d'interconnexions également programmable. Un FPGA est donc principalement composé d'éléments de mémoire pour programmer la fonctionnalité du circuit ainsi que de cellules logiques permettant d'effectuer les calculs. En effet, un défaut survenant dans la mémoire modifie en permanence le fonctionnement du FPGA. Ils sont traditionnellement basés sur les technologies de mémoire SRAM (volatile et peu dense) ou Flash (énergivore). Les solutions actuelles de durcissement des circuits sont complexes et coûteuses, reposant sur l'augmentation de la taille des transistors et sur la multiplication des blocs, combiné à la sélection par vote majoritaire. Les mémoires magnétiques MRAM (Magnetic Random Access Memories) peuvent apporter des solutions dans ce domaine. Les MRAM sont bien connues pour être très peu sensibles aux radiations, presque aussi denses qu'une mémoire DRAM, presque aussi rapides qu'une mémoire SRAM et très économes en énergie, puisqu'il s'agit de mémoires non volatiles. Cela signifie que les données sont conservées même lorsque l'alimentation du circuit est coupée. L'ensemble de ces avantages rendent l'utilisation de la MRAM pertinente pour les applications spatiales. Toutefois, il y a eu très peu d'études jusqu'à présent proposant les MRAM intégrées dans des circuits durcis. L'objectif de cette thèse est donc d'évaluer l'utilisation de la MRAM en tant que mémoire de configuration ou d'interconnexion dans les FPGA, et en particulier utiliser ces dispositifs magnétiques comme moyen d'améliorer et simplifier la mise en œuvre des techniques de durcissement standard pour les applications spatiales. Plusieurs générations de MRAM seront considérées dans le cadre de la thèse (STT: Spin Transfer Torque, SOT: Spin Orbit Torque, VCMA: Voltage Controlled Magnetic Anisotropy) afin d'améliorer la performance et la robustesse face aux radiations. Ce travail sera validé par différentes méthodes de simulation: premièrement par l'utilisation d'un modèle d'injection de faute (déjà développé) et deuxièmement par l'utilisation d'un logiciel spécifique Tradcare® fourni par la société TRAD, permettant la simulation électrique avec injection de tout type de particules.

The aim of this thesis is to evaluate the use of magnetic memories for space applications, taking advantage of their density, non-volatility and insensitivity to ionizing radiation. For a number of years now, space applications have played a strategic role at the highest levels of government (diplomatic, financial, technical, etc.). The field of radiation hardening is highly sensitive for a number of reasons, not least safety. The qualification procedure for processes and technologies is extremely precise and selective. This is why the migration from CMOS technology to more recent CMOS technology in the space sector is complex and time-consuming. In microelectronics, two families of integrated circuits can be distinguished. The first is related to ASICs (Application Specific Integrated Circuits) and the second family, on which we focus in this thesis, is that of FPGAs (Field Programmable Gate Array), which is dedicated to digital electronics. The main advantage of FPGAs is that they can be reprogrammed. These circuits are made up of several elementary programmable logic cells linked together by a system of interconnections, also programmable. An FPGA is therefore mainly made up of memory elements for programming the circuit's functionality, and logic cells for performing the calculations. A fault in the memory can permanently modify the FPGA's operation. They are traditionally based on SRAM (volatile and not very dense) or Flash (energy-hungry) memory technologies. Current circuit hardening solutions are complex and costly, relying on increased transistor size and block multiplication, combined with selection by majority vote. Magnetic Random Access Memories (MRAMs) can provide solutions in this field. MRAMs are well known for being very insensitive to radiation, almost as dense as DRAM, almost as fast as SRAM and very energy-efficient, since they are non-volatile memories. This means that data is retained even when the circuit's power supply is cut off. All these advantages make MRAM relevant for space applications. However, there have been very few studies to date proposing MRAMs integrated into hardened circuits. The aim of this thesis is therefore to evaluate the use of MRAM as configuration or interconnect memory in FPGAs, and in particular to use these magnetic devices as a means of improving and simplifying the implementation of standard hardening techniques for space applications. Several generations of MRAMs will be considered in the thesis (STT: Spin Transfer Torque, SOT: Spin Orbit Torque, VCMA: Voltage Controlled Magnetic Anisotropy) to improve performance and robustness against radiation. This work will be validated by various simulation methods: firstly, by using a fault injection model (already developed), and secondly by using specific Tradcare® software supplied by TRAD, enabling electrical simulation with injection of all types of particles.