Use of magnetic tunnel junction devices to implement a non-volatile FPGA based on a pre-existing architecture

• Main Author: Montesi, Luca
• Other Authors: Zeljko Zilic (Internal/Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2012
• Subjects: Engineering - Electronics and Electrical
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=107707

Commercially available Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have reached a high level of adoption and replaced more expensive alternatives in several fields. They are today used as computational devices, as test devices and as replacements to Application Specific Integrated Circuits (ASICs). Today's FPGAs can be electrically programmed but do not retain information once powered down. Non-volatility would lead to significantly more power effective implementation of designs; operation could be suspended and virtually instantaneously resumed leading to power savings. Recent developments in Magnetic Tunnel Junction (MTJ) technology allow the use of these components as non-volatile memory elements in CMOS based designs. However, behavioral models for these devices have never been simulated at the transistor level in large scale architectures. Therefore, a traditional block-based volatile FPGA architecture is introduced. In order to transition to an MTJ/CMOS-hybrid FPGA, it is concluded that some elements remain unchanged whereas others need substantial change to include MTJs. This leads to the integration of upgraded and untouched blocks into an FPGA of minimum size. A sample circuit is programmed on the latter and successfully simulated. This leads to conclusions establishing the possibility of simulating architectures involving MTJs and, the possibility of creating a sound MTJ-based FPGA. Designs are proposed and tested in Cadence Virtuoso and Spectre. === Les réseaux de portes programmables (FPGA), disponibles dans le commerce, ont atteint un haut niveau d'adoption. D'ailleurs, ils ont remplacé des alternatives plus coûteuses dans plusieurs domaines. Ils sont aujourd'hui utilisés comme dispositifs de calcul, comme des dispositifs de test et comme remplacements de circuit intégré (ASIC). Un FPGA d'aujourd'hui peut être programmé électriquement, mais il est volatile, car il ne conserve pas les informations une fois éteint. La non-volatilité conduirait à la mise en œuvre de conceptions et implémentations plus efficaces ; l'opération pourrait être suspendu et presque instantanément repris, entraînant des économies d'énergie.Les développements récents dans la technologie de jonction tunnel magnétique (MTJ) permettent l'utilisation de ces composants comme des éléments de mémoire non volatile dans les conceptions basées sur CMOS. Cependant, des model comportementales non jamais était simulé au niveau transistor dans des architectures à large échelle. Ainsi, une architecture FPGA basée sur des blocs traditionnels et volatiles est introduite. En vue de la transition vers un FPGA MTJ / CMOS-hybride, il s'avère que certains éléments peuvent rester inchangés tandis que d'autres ont besoin de changements substantiels pour inclure les MTJs. Cela conduit à une intégration de bloques inchangés et d'autres modifiés dans un FPGA de taille minimum. Un échantillon de circuit est programmé sur ce dernier et simulé avec succès. Cela a amené a la conclusion de la possibilité de simulé l'architecture incluant les circuits MTJ, ainsi que de la possibilité de crée des circuits MTJ basés sur les FPGA. Des conceptions sont proposées et testées avec le logiciel Virtuoso et Spectre.