Design and development of low-power and reliable logic circuits based on spin-transfer torque magnetic tunnel junctions

Avec la diminution du nœud de la technologie CMOS, la puissance statique et dynamique augmente spectaculairement. It est devenu l'un des principaux problèmes en raison de l'augmentation du courant de fuite et de la longue distance entre les mémoires et les circuits logiques. Au cours des dernières décennies, les dispositifs de spintronique, tels que la jonction tunnel magnétique (JTM) écrit par transfert de spin, sont largement étudiés pour résoudre le problème de la puissance statique grâce à leur non-volatilité. L'architecture logic-in-memory (LIM) hybride permet de fabriquer les dispositifs de spintronique au-dessus des circuits CMOS, réduisant le temps de transfert et la puissance dynamique. Cette thèse vise à la conception de circuits logiques et mémoires pour le système de faible puissance, en combinant les technologies JTM et CMOS. En utilisant un modèle compact JTM et le design-kit CMOS de STMicroelectronics, nous étudions les circuits hybrides MTJ/CMOS de 1-bit et multi-bit, y compris les opérations de lecture et d'écriture. Les méthodes d'optimisation sont également introduites pour améliorer la fiabilité, ce qui est extrêmement important pour les circuits logiques où les blocs de correction d'erreur ne peuvent pas être facilement intégrés sans sacrifier leurs performances ou augmenter la surface de circuit. Nous étendons la structure MTJ/CMOS hybride de multi-bit à la conception d’une mémoire MRAM avec les circuits périphériques simples. Basés sur le concept de LIM, les circuits logiques/arithmétiques non-volatiles sont conçus. Les JTMs sont intégrés non seulement comme des éléments de stockage, mais aussi comme des opérandes logiques. Tout d'abord, nous concevons et analysons théoriquement les portes logiques non-volatiles (PLNVs) comprenant NOT, AND, OR et XOR. Ensuite, les additionneurs complets non-volatiles (ACNVs) de 1-bit et 8-bit sont proposés et comparés avec l'additionneur classique basé sur la technologie CMOS. Nous étudions l'effet de la taille de transistor CMOS et des paramètres de JMT sur les performances d’ACNV. De plus, nous optimisons l’ACNV sous deux faces. Premièrement, un circuit de détection (mode de tension) de très haute fiabilité est proposé. Après, nous proposons de remplacer le JTM à deux électrodes par un JTM à trois électrodes (écrit par transfert de spin assisté par l’effet Hall de spin) en raison du temps d'écriture et de la puissance plus petit. Basé sur les PLNVs et ACNVs, d'autres circuits logiques peuvent être construits, par exemple, soustracteur non-volatile. Enfin, une mémoire adressable par contenu non-volatile (MACNV) est proposée. Deux décodeurs magnétiques visent à sélectionner des lignes et à enregistrer la position de recherche dans un état non-volatile.With the shrinking of CMOS (complementary metal oxide semi-conductor) technology, static and dynamic power increase dramatically and indeed has become one of the main challenges due to the increasing leakage current and long transfer distance between memory and logic chips. In the past decades, spintronics devices, such as spin transfer torque based magnetic tunnel junction (STT-MTJ), are widely investigated to overcome the static power issue thanks to their non-volatility. Hybrid logic-in-memory (LIM) architecture allows spintronics devices to be fabricated over the CMOS circuit plane, thereby reducing the transfer latency and the dynamic power dissipation. This thesis focuses on the design of hybrid MTJ/CMOS logic circuits and memories for low-power computing system.By using a compact MTJ model and the STMicroelectronics design kit for regular CMOS design, we investigate the hybrid MTJ/CMOS circuits for single-bit and multi-bit reading and writing. Optimization methods are also introduced to improve the reliability, which is extremely important for logic circuits where error correction blocks cannot be easily embedded without sacrificing their performances or adding extra area to the circuit. We extend the application of multi-context hybrid MTJ/CMOS structure to the memory design. Magnetic random access memory (MRAM) with simple peripheral circuits is designed.Based on the LIM concept, non-volatile logic/arithmetic circuits are designed to integrate MTJs not only as storage elements but also as logic operands. First, we design and theoretically analyze the non-volatile logic gates (NVLGs) including NOT, AND, OR and XOR. Then, 1-bit and 8-bit non-volatile full-adders (NVFAs), the basic elements for arithmetic operations, are proposed and compared with the traditional CMOS-based full-adder. The effect of CMOS transistor sizing and the MTJ parameters on the performances of NVFA is studied. Furthermore, we optimize the NVFA from two levels. From the structure-level, an ultra-high reliability voltage-mode sensing circuit is used to store the operand of NVFA. From the device-level, we propose 3-terminal MTJ switched by spin-Hall-assisted STT to replace the 2-terminal MTJ because of its smaller writing time and power consumption. Based on the NVLGs and NVFAs, other logic circuits can be built, for instance, non-volatile subtractor.Finally, non-volatile content addressable memory (NVCAM) is proposed. Two magnetic decoders aim at selecting a word line to be read or written and saving the corresponding search location in non-volatile state