Conception sur mesure d'un FPGA durci aux radiations à base de mémoires magnétiques

par Olivier Gonçalves (Goncalves)

Thèse de doctorat en Sciences et technologie industrielles

Sous la direction de Bernard Dieny.

Soutenue le 19-06-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Spintronique et Technologie des Composants (équipe de recherche) .

Le président du jury était Lorena Anghel.

Le jury était composé de Bertrand Granado, Guillaume Prenat, Christian Gamrat, Richard Fournel.

Les rapporteurs étaient Lionel Torres, Jacques-olivier Klein.


  • Résumé

    Le but de la thèse a été de montrer que les cellules mémoires MRAM présentent de nombreux avantages pour une utilisation en tant que mémoire de configuration pour les architectures reconfigurables et en particulier les FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Ce type de composant est programmable et permet de concevoir un circuit numérique simplement en programmant des cellules mémoires qui définissent sa fonctionnalité. Un FPGA est principalement constitué de cellules mémoires. C'est pourquoi elles déterminent en grande partie ses caractéristiques comme sa surface ou sa consommation et influencent ses performances comme sa rapidité. Les mémoires MRAM sont composées de Jonctions Tunnel Magnétiques (JTMs) qui stockent l'information sous la forme d'une aimantation. Une JTM est composée de trois couches : deux couches de matériaux ferromagnétiques séparées par une couche isolante. Une des deux couches ferromagnétiques a une aimantation fixée dans un certaine direction (couche de référence) tandis que l'autre peut voir son aimantation changer dans deux directions (couche de stockage). Ainsi, la propagation des électrons est changée suivant que les deux aimantations sont parallèles ou antiparallèles c'est-à-dire que la résistance électrique de la jonction change suivant l'orientation relative des aimantations. Elle est faible lorsque les aimantations sont parallèles et forte lorsqu'elles sont antiparallèles. L'écriture d'une JTM consiste donc à changer l'orientation de l'aimantation de la couche de stockage tandis que la lecture consiste à déterminer si l'on a une forte ou une faible résistance. Les atouts de la JTM font d'elle une bonne candidate pour être une mémoire dite universelle, bien que des efforts de recherche restent à accomplir. Cependant, elle a de nombreux avantages comme la non-volatilité, la rapidité et la faible consommation à l'écriture comparée à la mémoire Flash ainsi que la résistance aux radiations. Grâce à ces avantages, on peut déjà l'utiliser dans certaines applications et en particulier dans le domaine du spatial. En effet, l'utilisation dans ce domaine permet de tirer parti de tous les avantages de la JTM en raison du fait qu'elle est intrinsèquement immune aux radiations et non-volatile. Elle permet donc de réaliser un FPGA résistant aux radiations et avec une basse consommation et de nouvelles fonctionnalités. Le travail de la thèse s'est donc déroulé sur trois ans. La première année a d'abord été dédiée à l'état de l'art afin d'apprendre le fonctionnement des JTMs, l'architecture des FPGAs, les techniques de durcissement aux radiations et de basse consommation ainsi que le fonctionnement des outils utilisés en microélectronique. Au bout de la première année, un nouveau concept d'architecture de FPGA a été proposé. Les deuxième et troisième années ont été dédiées à la réalisation de cette innovation avec la recherche de la meilleure structure de circuit et la réalisation d'un circuit de base d'un FPGA ainsi que la conception puis la fabrication d'un démonstrateur. Le démonstrateur a été testé avec succès et a permis de prouver le concept. La nouvelle architecture de circuit de FPGA a permis de montrer que l'utilisation des mémoires MRAM comme mémoire de configuration de FPGA était avantageuse et en particulier pour les technologies futures.

  • Titre traduit

    Conception of a full custum radiation hardened FPGA based on the use of magnetic memories


  • Résumé

    The aim of the thesis was to show that MRAM memory has many advantages for use as a configuration memory for reconfigurable architectures and especially Field Programmable Gate-Arrays (FPGAs). This type of component is programmable and allows designing a digital circuit simply by programming memory cells that define its functionality. An FPGA is thus mainly composed of memory cells. That is why they largely determine its characteristics as its surface or power consumption and affect its performance as its speed. MRAM memories are composed of Magnetic Tunnel Junctions (JTMs) which store information in the form of a magnetization. A JTM is composed of three layers: two layers of ferromagnetic material separated by an insulating layer. One of the two ferromagnetic layers has a magnetization pinned in a fixed direction (reference layer) while the other one can have its magnetization switched between two directions (storage layer). Thus, the propagation of the electrons is changed depending on whether the two magnetizations are parallel or antiparallel that is to say that the electrical resistance of the junction changes according to the orientation of the magnetizations. It is low when the magnetizations are parallel and high when antiparallel. Writing a JTM consists in changing the orientation of the magnetization of the storage layer while reading consists in determining if the resistance is high or low. The advantages of the JTM make it a good candidate to be used as a universal memory although research efforts are still needed. However, it has many advantages such as non-volatility, fast and low power consumption compared to writing to Flash memory as well as resistance to radiation. With these advantages, we may already use it in some applications and in particular in the field of space. Indeed, its use in this area allows taking advantage of all of the benefits of JTM due to the fact that it is intrinsically immune to radiation and non-volatile. It therefore enables to make a radiation hardened and low power FPGA with new functionalities. The work of this thesis is held over three years. The first year was dedicated to the state of the art in order to learn the mechanisms of JTMs, the architecture of FPGAs, radiation hardening and low power consumption techniques as well as the operation of the tools used in microelectronics. After the first year, a new FPGA architecture concept was proposed. The second and third years were devoted to the realization of this innovation with the search for the best circuit structure and the realization of an elementary component of a FPGA and the design and manufacture of a demonstrator. The demonstrator has been successfully tested and proved the new concept. The new circuit architecture of FPGA has shown that the use of MRAM cells as configuration memories for FPGAs was particularly advantageous for future technologies.


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