Compact modeling and hybrid circuit design for spintronic devices based on current-induced switching
Modélisation compacte et conception de circuit hybride pour les dispositifs spintroniques basés sur la commutation induite par le courant
Résumé
The shrinking of complementary metal oxide semiconductor (CMOS) fabrication node below 90 nm leads to high static power in memories and logic circuits due to the increasing leakage currents. Emerging spintronic technology is of great interest to overcome this issue thanks to its non-volatility, high access speed and easy integration with CMOS process. Spin transfer torque (STT), a current-induced switching approach, not only simplifies the switching process but also provides an unprecedented speed and power performances, compared with the field-induced switching. This thesis is dedicated to the compact modelling and hybrid circuit design for current-induced switching spintronic devices. Magnetic tunnel junction (MTJ), the basic element of magnetic random access memory (MRAM), and racetrack memory, a novel concept based on current-induced domain wall (CIDW) motion, are particularly investigated. These spintronic devices and circuits are based on the materials with perpendicular-magnetic-anisotropy (PMA) that promises the deep submicron miniaturization while keeping a high thermal stability. Numbers of physical models and realistic parameters are integrated in the compact modeling to achieve a good agreement with experimental measurements. By using these accurate compact models of PMA STT MTJ and PMA racetrack memory, some magnetic logic and memory applications, such as magnetic full adder (MFA) and content addressable memory (CAM), are designed and simulated. We analyze and assess their performance potential in terms of speed, area and power consumption compared with the conventional circuits. Finally, in order to tackle the capacity bottleneck hindering the wide application, we propose two design optimizations: MLC for MRAM and magnetic field assistance for racetrack memory. This MLC design benefits from the STT stochastic behavior to achieve an ultra-high speed while increasing the density. The racetrack memory with magnetic field assistance is based on the observation that CIDW motion can be triggered below the critical current due to “Walker breakdown” effect. This opens a new route to reduce the propagation current and increase the capacity of racetrack memory beyond the improvements of peripheral circuits or materials.
La miniaturisation du nœud technologique de CMOS en dessous de 90 nm conduit à une forte consommation statique pour les mémoires et les circuits logiques, due aux courants de fuite de plus en plus importants. La spintronique, une technologie émergente, est d’un grand intérêt pour remédier à ce problème grâce à sa non-volatilité, sa grande vitesse d’accès et son intégration facile avec les procédés CMOS. Comparé à la commutation induite par le champ magnétique, le transfert de spin (STT), une approche de commutation induite par le courant, non seulement simplifie le processus de commutation mais aussi permet un fonctionnement sans précédent en termes de consommation et de vitesse. Cette thèse est consacrée à la modélisation compacte et la conception de circuit hybride pour les dispositifs spintroniques basés sur la commutation induite par le courant. La jonction tunnel magnétique (JTM), élément fondamental de la mémoire magnétique (MRAM), et la mémoire racetrack, nouveau concept fondé sur la propagation des parois de domaine induites par le courant, sont particulièrement étudiés. Ces dispositifs et circuits spintroniques sont basés sur les matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire (AMP) qui ouvrent la perspective d’une miniaturisation submicronique tout en conservant une grande stabilité thermique. De nombreux modèles physiques et paramètres réalistes sont intégrés dans la modélisation compacte pour obtenir une bonne cohérence avec les mesures expérimentales. En utilisant ces modèles compacts précis, certaines applications pour la logique et les mémoires magnétiques, tels que l’additionneur complet magnétique (ACM) et la mémoire adressable par contenu (CAM), sont conçues et simulées. Nous analysons et évaluons leur potentiel de performance en termes de surface, vitesse et consommation d’énergie par rapport aux circuits classiques. Enfin, afin de lutter contre la limitation de capacité entravant la large application, nous proposons deux optimisations de conception : la mémoire multivaluée (MLC) pour la STT-MRAM et l’assistance par champ magnétique pour la mémoire racetrack. Ce concept de MLC utilise le comportement stochastique des STT pour atteindre une haute vitesse tout en augmentant la densité de STT-MRAM. La mémoire racetrack assistée par champ magnétique est fondée sur l’observation d’une propagation des parois de domaine en dessous du courant critique, propagation est attribué à l’effet « Walker breakdown ». Ceci ouvre une nouvelle voie pour réduire le courant de propagation et augmenter la capacité des mémoires racetrack au-delà des améliorations des circuits périphériques et des matériaux.
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