Conception hybride CMOS et mémoires magnétiques : applications aux architectures programmables

par Raphael Martins Brum

Thèse de doctorat en Systèmes automatiques et microélectroniques

Sous la direction de Lionel Torres et de Gilles Sassatelli.


  • Résumé

    Avec la réduction continue des dimensions des transistors CMOS, le développement des mémoires statiques du type SRAM énergétiquement efficientes et de hautes densités devient de plus en plus difficile. Les dernières années ont vu l'apparition de nouvelles technologies de mémoire, qui ont attiré l'intérêt de la communauté académique, ainsi que de nombreux acteurs industriels. Parmi ces technologies, la STT-MRAM se distingue pour ses caractéristiques très avantageuses, comme sa faible consommation, ses performances et sa facilité d'intégration dans une technologie de fabrication CMOS. En plus, les MRAMs sont des technologies non-volatiles, avec une endurance élevée, nous allons utiliser cette caractéristique pour proposer de nouvelles fonctionnalités aux systèmes intégrés, notamment sur les architectures de processeur et les dispositifs reconfigurables.Une comparaison entre plusieurs amplificateurs de lecture, utilisables pour concevoir des matrices de mémoire et des cellules séquentielles a été aussi menée. Afin de démontrer la faisabilité de la conception hybride CMOS/MRAM plusieurs prototypes ont été conçus sur une technologie 28nm CMOS FDSOI et une technologie magnétique capable de produire des MTJ perpendiculaires STT de 200nm. Nous avons appliqué ces briques de base au monde du processeur notamment en proposant un processeur capable de conserver un état sain lors d'une erreur d'exécution. Les résultats obtenus confirment que le surcout de ces techniques est tout à fait compatible avec la démarche de conception d'un circuit intégré actuel.

  • Titre traduit

    On the design of hybrid CMOS and magnetic memories, with applications to reconfigurable architectures.


  • Résumé

    With the downscaling of the CMOS technology, it is becoming increasingly difficult to design power-efficient and dense static random-access memories (SRAM). In the last two decades, alternative memory technologies have been actively researched both by academia and industry. Among them, STT-MRAM is one of the most promising, having near-zero static power consumption, competitive performance with respect to SRAM and easy integration with CMOS fabrication processes. Furthermore, MRAM is a non-volatile memory technology, providing for new features and capabilities when embedded in reconfigurable devices or processors. In this thesis, applications of MRAM to embedded processors and field-programmable gate-arrays (FPGAs) were investigated. A comparison of several self-referenced read circuits, with application for both memory arrays and sequential cells is provided, based on MTJ compact models provided by our project partners. To demonstrate the feasibility of the proposed circuits, we laid-out and fabricated independent, self-contained sequential cells and a hybrid, multi-context CMOS/MTJ memory array, using state-of-the-art 28nm FDSOI CMOS technology, combined with a 200nm perpendicular STT-MTJ process. Finally, we used these building blocks to implement instant on/off and backward-error recovery capabilities in an embedded processor. Results obtained by simulation allowed us to verify that these features have minimal impact on performance. An initial layout implementation allowed us to estimate the impact on silicon footprint, which could be further reduced by improvements in the MTJ integration process.

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