22 avril 2015
Modèle compact et utilisation de Jonctions Tunnel Magnétiques à écriture par Spin Orbit Torque pour flip-flop non-volatile visant des applications haute fréquence et faible consommation.

Une des possibilités pour répondre aux nouvelles contraintes de la microélectronique et des technologies avancées est l’utilisation de Jonctions Tunnel Magnétiques (JTM), apportant principalement de la non-volatilité aux circuits intégrés, ce qui permet d’améliorer les performances, notamment en termes de consommation et de permettre de nouvelles fonctionnalités.

Les cellules de mémorisation, communément appelées flip-flops, sont très largement utilisées dans les circuits intégrés synchrones. L’intérêt d’utiliser des flip-flops non-volatiles est très grand : d’une part il permet de sécuriser l’application car les données peuvent être sauvegardées de façon permanente même en cas de coupure d’alimentation non souhaitée. D’autre part cela permet de réduire considérablement la consommation car l’alimentation du circuit peut-être coupées pendant toutes les phases d’inactivité du composant, pouvant représenter parfois plus de 95% du temps (application mobile par exemple).

 

 

 

 

 

 

 

Figure1: Simulation d’une JTM-SOT à partir du modèle compact

 

 

 

 

 

 

 

Figure 2: Nouvelle architecture de flip-flop non-volatile à base de JTM-SOT

 

Dans ces travaux, nous avons tout d’abord développé le premier modèle compact pour des JTM écrites par Spin Orbit Torque (SOT), en langage Verilog-A, semblable à ce qui est fait pour les transistors par exemple. La conception et la simulation électrique de circuit intégré utilisant ces JTM est alors possible, que ce soit des mémoires MRAM ou circuits logiques. Ce modèle intègre toutes les équations physiques et permet ainsi de retranscrire précisément le comportement des JTM, en termes de dynamique de l’aimantation et de variation de la résistance (Figure 1). A partir de ce modèle, nous avons pu concevoir de nouvelles architectures de flip-flops non-volatiles utilisant des JTM-SOT à 3 terminaux (Figure 2) qui ont pour caractéristique d’être aussi rapide que leurs homologues volatiles et très faible consommation. Les résultats de simulation montrent que ce type d’architecture permet d’augmenter considérablement la fiabilité, d’être 4 fois plus rapide et consommant 20 fois moins d’énergie qu’une flip-flop à base de JTM Spin Transfer Torque (STT). Un démonstrateur silicium embarquant des fonctions simples à base de bascules et une mémoire SOT-MRAM est en cours de fabrication.

Les perspectives de ces travaux sont donc l’intégration de ces nouvelles flip-flops dans des circuits intégrés non-volatils plus complexes, du type circuit numérique et/ou microprocesseur non-volatiles.

Ces travaux ont été supportés par le projet SpOT financé par la commission européenne sous le programme FP7 (grant agreement n°318144).

 

Maj : 22/04/2015 (1107)

 

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