Etude de l'utilisation de Jonctions Tunnel Magnétiques

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Proposition de stage MASTER 2 et thèse Année universitaire 2008-2009 Etude de l’utilisation de Jonctions Tunnel Magnétiques pour le développement de circuits logiques non-volatiles très basse consommation L’élément de base utilisé en spintronique est la Jonction Tunnel Magnétique (JTM), nanostructure dont la résistance électrique dépend de son état magnétique. Ces composants sont bien connus en tant que brique de base des mémoires dites magnétiques (MRAM pour Magnetic Random Access Memory). Ce nouveau type de mémoire combine une non-volatilité intrinsèque avec une grande vitesse de fonctionnement, une densité d’intégration importante, une faible consommation, une immunité aux radiations ionisantes ainsi qu’une cyclabilité quasiment infinie. Ces propriétés valent souvent aux MRAM le qualificatif de « mémoires universelles », pouvant potentiellement remplacer les SRAM et DRAM (volatiles) ainsi que les Flash (lentes et gourmandes en énergie à l’écriture et sujettes au vieillissement). Mais les JTM peuvent aussi être utilisées pour d’autres familles logiques : c’est ce que l’on appelle logique hybride CMOS/Magnétique. La MRAM peut par exemple remplacer les mémoires conventionnelles dans les circuits reprogrammables et les JTM peuvent apporter de la non-volatilité dans les circuits types ASIC’s (Application Specific Integrated Circuits) pour diminuer fortement la consommation statique. L’apparition de nouvelles technologies de JTM à ...
Publié le : samedi 24 septembre 2011
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L’élément de base utilisé en spintronique est la Jonction Tunnel Magnétique (JTM), nanostructure dont
la résistance électrique dépend de son état magnétique. Ces composants sont bien connus en tant que
brique de base des mémoires dites magnétiques (MRAM pour Magnetic Random Access Memory). Ce
nouveau type de mémoire combine une non-volatilité intrinsèque avec une grande vitesse de
fonctionnement, une densité d’intégration importante, une faible consommation, une immunité aux
radiations ionisantes ainsi qu’une cyclabilité quasiment infinie. Ces propriétés valent souvent aux
MRAM le qualificatif de « mémoires universelles », pouvant potentiellement remplacer les SRAM et
DRAM (volatiles) ainsi que les Flash (lentes et gourmandes en énergie à l’écriture et sujettes au
vieillissement). Mais les JTM peuvent aussi être utilisées pour d’autres familles logiques : c’est ce que
l’on appelle logique hybride CMOS/Magnétique. La MRAM peut par exemple remplacer les mémoires
conventionnelles dans les circuits reprogrammables et les JTM peuvent apporter de la non-volatilité dans
les circuits types ASIC’s (Application Specific Integrated Circuits) pour diminuer fortement la
consommation statique. L’apparition de nouvelles technologies de JTM à écriture par courant polarisé en
spin (STT, Spin Transfer Torque) a fortement amélioré les performances de cette technologie et accéléré
son développement.
En effet, dans les technologies CMOS récentes, la consommation en mode statique due aux courants de
fuite des transistors devient supérieure à la consommation dynamique. L’ajout de non-volatilité dans les
circuits logiques permet de couper l’alimentation des blocs inutilisés, si bien que la consommation et les
problèmes de chauffage peuvent être réduits de façon drastique. Des travaux ont été déjà réalisés dans ce
sens : la société Rohm par exemple a proposé un prototype de CPU embarquant des registres FeRAM
pour stocker l’information lorsque des blocs sont désactivés. Une économie de 90% de consommation
en énergie a été obtenue par cette méthode. Cependant, des registres « conventionnels » doivent être
conservés afin de ne pas nuire à la vitesse de fonctionnement. L’utilisation de JTM peut encore
améliorer les performances : leur grande vitesse d’écriture, leur cyclabilité quasi infinie ainsi que la
possibilité de les implémenter au dessus du CMOS autorise non seulement à ajouter des registres non-
volatiles à un CPU par exemple, mais aussi ajouter une non-volatilité intrinsèque aux composants eux-
mêmes (par exemple aux bascules Flip-Flop) pour obtenir un CPU véritablement non-volatile, offrant
une consommation fortement réduite, une densité d’intégration optimisée et un démarrage instantané.
Ce stage s’inscrit dans un projet exploratoire d’étude comparée des avantages apportés par les
différentes technologies non-volatiles (sonos, pcram, feram, mram…) pour la logique. Le laboratoire
travaillerait dans ce cadre sur les technologies magnétiques. Après une première phase de familiarisation
avec les spécificités de la technologie magnétique, le stagiaire pourra réfléchir à des architectures de
fonctions logiques élémentaires (Full Adder par exemple) rendues non-volatiles par l’utilisation de JTM.
Ces fonctions seront ensuite simulées sous CADENCE en utilisant l’ensemble des outils de conception
développés au laboratoire pour la technologie magnétique (modèles compacts compatibles spectre). Ces
fonctions pourront ensuite être assemblées avec des éléments de mémorisation (registres, Flip-Flops)
non-volatiles pour aboutir à un circuit plus complexe comme une ALU (Unité Arithmétique et Logique).
Ce stage devra servir de travail préparatoire à une thèse permettant d’évaluer les performances que
pourrait offrir la technologie magnétique dans des systèmes complexes type CPU.
Il est souhaité que le candidat poursuive ce travail en thèse.
Proposition de stage MASTER 2 et thèse
Année universitaire 2008-2009
Etude de l’utilisation de Jonctions Tunnel Magnétiques pour le développement de
circuits logiques non-volatiles très basse consommation
Contact: Guillaume PRENAT: 04.38.78.63.15 / guillaume.prenat@cea.fr
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