[論文レビュー] A compact Verilog-A ReRAM switching model

Ioannis Messaris, Alexander Serb+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2017

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 3被引用数 13

ひとこと要約

本論文では、電圧および初期抵抗状態に依存する関数を用いてスイッチングダイナミクスを捉える、コンactなVerilog-Aモデルを提示する。スイッチングレートを指数的電圧依存性とvおよびRに関する2次多項式の組み合わせで表すことで、モデルは高速かつスケーラブルなシミュレーションを可能にするとともに、実験的バイアスプロトコルおよびスイッチングレート依存性を正確に反映する。

ABSTRACT

The translation of emerging application concepts that exploit Resistive Random Access Memory (ReRAM) into large-scale practical systems requires realistic, yet computationally efficient, empirical models that can capture all observed physical devices. Here, we present a Verilog-A ReRAM model built upon experimental routines performed on TiOx-based prototypes. This model was based on custom biasing protocols, specifically designed to reveal device switching rate dependencies on a) bias voltage and b) initial resistive state. Our model is based on the assumption that a stationary switching rate surface m(R,v) exists for sufficiently low voltage stimulation. The proposed model comes in compact form as it is expressed by a simple voltage dependent exponential function multiplied with a voltage and initial resistive state dependent second order polynomial expression, which makes it suitable for fast and/or large-scale simulations.

研究の動機と目的

• 大規模システムレベルのシミュレーションに適した、計算的に効率的でコンパクトなVerilog-Aモデルを構築すること。
• TiOxベースのプロトタイプからの実験データを用いて、バイアス電圧および初期抵抗状態に依存するスイッチングレートの依存関係を捉えること。
• 低電圧駆動下でのデバイス動作を正確に表現できる、定常的スイッチングレート表面m(R,v)を確立すること。
• 現実的ではあるが軽量なモデリングにより、ReRAMを新興のニューロモルフィックおよびメモリインプロセッシングアーキテクチャへの実用的統合を可能にすること。

提案手法

• スイッチングレートが電圧および初期抵抗状態に依存するのを分離するように設計された、実験的バイアスプロトコルに基づいてモデルを導出する。
• 低電圧動作における定常的スイッチングレート表面m(R,v)を仮定する。ここでRは初期抵抗状態、vは印加電圧を表す。
• スイッチングレートは、電圧依存の指数関数とvおよびRに関する2次多項式の積として表現される。
• 標準的な回路シミュレーションツールとの互換性を確保するため、Verilog-Aにモデルを実装する。
• 大規模シミュレーションにおける正確性と計算効率のバランスを取るために、関数形を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 システムレベルのシミュレーションに適した、計算オーバーヘッドを最小限に抑えたReRAMスイッチングダイナミクスの正確なモデリングはどのように実現できるか？
• RQ2 TiOxベースのReRAMデバイスにおいて、スイッチングレートは印加電圧および初期抵抗状態にどのように依存するか？
• RQ3 低電圧動作において、定常的スイッチングレート表面を定義することは可能か？
• RQ4 コンパクトなVerilog-Aモデルは、計算効率を保ちながら、実験的スイッチング動作をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• 提案されたモデルは、コンパクトな関数形を用いることで、バイアス電圧および初期抵抗状態に依存するスイッチングレートの依存関係を効果的に捉えている。
• 指数的電圧依存性とvおよびRに関する2次多項式の組み合わせというモデル構造は、実験データを正確に表現するのに有効であることが示された。
• 解析的な単純さとVerilog-Aにおける効率的な実装のおかげで、モデルは高速かつスケーラブルなシミュレーションを可能にしている。
• 低電圧駆動下において、定常的スイッチングレート表面の仮定が成り立つことが確認され、モデルの物理的整合性が裏付けられた。