Integration of emerging non volatile memory technologies in cache hierarchy for improving energy-efficiency

De nos jours, des efforts majeurs pour la conception de systèmes sur puces performants et efficaces énergétiquement sont en cours. Le déclin de la loi de Moore au début du XX e siècle a poussé les concepteurs à augmenter le nombre de cœurs par processeur pour continuer d’améliorer les performances. En conséquence, la surface de silicium occupée par les mémoires caches a augmentée. La finesse de gravure toujours plus petite a également fait augmenter le courant de fuite des transistors CMOS. Ainsi, la consommation énergétique des mémoires occupe une part de plus en plus importante dans la consommation globale des puces. Pour diminuer cette consommation, de nouvelles technologies de mémoires émergent depuis une dizaine d’années : les mémoires non volatiles (NVM). Ces mémoires ont la particularité d’avoir un courant de fuite très faible comparé aux technologies CMOS classiques. De fait, leur utilisation dans une architecture permettrait de diminuer la consommation globale de la hiérarchie de caches. Cependant, ces technologies souffrent de latences d’accès plus élevées que la SRAM, de coûts énergétiques d’accès plus importants et d’une durée de vie limitée. Leur intégration à des systèmes sur puces nécessite de continuer à rechercher des solutions. Cette thèse cherche à évaluer l’impact d’un changement de technologie dans la hiérarchie de caches.Plus spécifiquement, elle s’intéresse au cache de dernier niveau (LLC) et la technologie non volatile considérée est la STT-MRAM. Nos travaux adoptent un point de vue architectural dans lequel une modification de la technologie n’est pas retenue. Nous cherchons alors à intégrer les caractéristiques différentes de la STT-MRAM lors de la conception de la hiérarchie mémoire. Une première étude a permis de mettre en place un cadre d’exploration architectural pour des systèmes contenant des mémoires émergentes. Une seconde étude sur les optimisations architecturales au niveau du LLC a été menée pour identifier quelles sont les opportunités d’intégration de la STT-MRAM. Le but est d’améliorer l’efficacité énergétique tout en atténuant les pénalités d’accès dues aux fortes latences de cette technologie.Today, intensive efforts to design energy-efficient and high-performance systems-on-chip (SoCs) are underway. Moore’s end in the early 20 th century pushed designers to increase the number of core per processor to continue to improve the performance. As a result, the silicon area occupied by cache memories has increased. The ever smaller technology node also increased the leakage current of CMOS transistors. Thus, the energy consumption of memories represents an increasingly important part in the overall consumption of chips.To reduce this energy consumption, new memory technologies have emerged overthe past decade : non-volatile memories (NVM). These memories have the particularity of having a very low leakage current compared to conventional CMOS technologies. In fact, their use in an architecture would reduce the overall consumption of the cache hierarchy. However, these technologies sufferfrom higher access latencies than SRAM, higher access energy costs and limitedlifetime. Their integration into SoCs requires a continuous research effort.This thesis work aims to evaluate the impact of a change in technology in the cache hierarchy. More specifically, we are interested in the Last-Level Cache(LLC) and we consider the STT-MRAM technology. Our work adopts an architectural point of view in which a modification of the technology is not retained. Then,we try to integrate the different characteristics of the STT-MRAM atarchitectural level when designing the memory hierarchy. A first study set upan architectural exploration framework for systems containing emerging memories. A second study on architectural optimizations at LLC was conducted toidentify opportunities for the integration of STT-MRAM. The goal is to improve energy efficiency while reducing access penalties due to the high latency ofthis technology