Exploration of non-volatile magnetic memory for processor architecture

par Sophiane Senni

Thèse de doctorat en Systèmes automatiques et micro-électroniques

Sous la direction de Lionel Torres.

  • Titre traduit

    Exploration d'architecture de processeur à technologie mémoire non volatile MRAM


  • Résumé

    De par la réduction continuelle des dimensions du transistor CMOS, concevoir des systèmes sur puce (SoC) à la fois très denses et énergétiquement efficients devient un réel défi. Concernant la densité, réduire la dimension du transistor CMOS est sujet à de fortes contraintes de fabrication tandis que le coût ne cesse d'augmenter. Concernant l'aspect énergétique, une augmentation importante de la puissance dissipée par unité de surface frêne l'évolution en performance. Ceci est essentiellement dû à l'augmentation du courant de fuite dans les transistors CMOS, entraînant une montée de la consommation d'énergie statique. En observant les SoCs actuels, les mémoires embarquées volatiles tels que la SRAM et la DRAM occupent de plus en plus de surface silicium. C'est la raison pour laquelle une partie significative de la puissance totale consommée provient des composants mémoires. Ces deux dernières décennies, de nouvelles mémoires non volatiles sont apparues possédant des caractéristiques pouvant aider à résoudre les problèmes des SoCs actuels. Parmi elles, la MRAM est une candidate à fort potentiel car elle permet à la fois une forte densité d'intégration et une consommation d'énergie statique quasi nulle, tout en montrant des performances comparables à la SRAM et à la DRAM. De plus, la MRAM a la capacité d'être non volatile. Ceci est particulièrement intéressant pour l'ajout de nouvelles fonctionnalités afin d'améliorer l'efficacité énergétique ainsi que la fiabilité. Ce travail de thèse a permis de mener une exploration en surface, performance et consommation énergétique de l'intégration de la MRAM au sein de la hiérarchie mémoire d'un processeur. Une première exploration fine a été réalisée au niveau mémoire cache pour des architectures multicoeurs. Une seconde étude a permis d'évaluer la possibilité d'intégrer la MRAM au niveau registre pour la conception d'un processeur non volatile. Dans le cadre d'applications des objets connectés, de nouvelles fonctionnalités ainsi que les intérêts apportés par la non volatilité ont été étudiés et évalués.


  • Résumé

    With the downscaling of the complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) technology,designing dense and energy-efficient systems-on-chip (SoC) is becoming a realchallenge. Concerning the density, reducing the CMOS transistor size faces up to manufacturingconstraints while the cost increases exponentially. Regarding the energy, a significantincrease of the power density and dissipation obstructs further improvement inperformance. This issue is mainly due to the growth of the leakage current of the CMOStransistors, which leads to an increase of the static energy consumption. Observing currentSoCs, more and more area is occupied by embedded volatile memories, such as staticrandom access memory (SRAM) and dynamic random access memory (DRAM). As a result,a significant proportion of total power is spent into memory systems. In the past twodecades, alternative memory technologies have emerged with attractive characteristics tomitigate the aforementioned issues. Among these technologies, magnetic random accessmemory (MRAM) is a promising candidate as it combines simultaneously high densityand very low static power consumption while its performance is competitive comparedto SRAM and DRAM. Moreover, MRAM is non-volatile. This capability, if present inembedded memories, has the potential to add new features to SoCs to enhance energyefficiency and reliability. In this thesis, an area, performance and energy exploration ofembedding the MRAM technology in the memory hierarchy of a processor architectureis investigated. A first fine-grain exploration was made at cache level for multi-core architectures.A second study evaluated the possibility to design a non-volatile processorintegrating MRAM at register level. Within the context of internet of things, new featuresand the benefits brought by the non-volatility were investigated.


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