[論文レビュー] Multi-Bit Read and Write Methodologies for Diode-STTRAM Crossbar Array

Mohammad Nasim Imtiaz Khan, Swaroop Ghosh+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2016

Advanced Memory and Neural Computing参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、新興の非揮発性メモリクロスバーにおける帯域幅制限を克服するため、ダイオード-STTRAMクロスバー配列におけるマルチビットリードおよびライト技術を提案する。半選択セルのバイアスを調整することで（リード時700 mV、ライト時50 mVパルス）、512ビットリードおよび2ビットライトを実現しつつ、512×512アレイの2.04年間の保持性能を維持する。これは、意図しないセルを損なうことなく、効率性およびスケーラビリティを著しく向上させる。

ABSTRACT

Crossbar arrays using emerging non-volatile memory technologies such as Resistive RAM (ReRAM) offer high density, fast access speed and low-power. However the bandwidth of the crossbar is limited to single-bit read/write per access to avoid selection of undesirable bits. We propose a technique to perform multi-bit read and write in a diode-STTRAM (Spin Transfer Torque RAM) crossbar array. Simulation shows that the biasing voltage of half-selected cells can be adjusted to improve the sense margin during read and thus reduce the sneak path through the half-selected cells. In write operation, the half-selected cells are biased with a pulse voltage source which increases the write latency of these cells and enables to write 2-bits while keeping the half-selected bits undisturbed. Simulation results indicate biasing the half-selected cells by 700mV can enable reading as much as 512-bits while sustaining 512x512 crossbar with 2.04 years retention. The 2-bit writing requires pulsing by 50mV to optimize energy.

研究の動機と目的

• STTRAMなどの新興非揮発性メモリを用いたクロスバー配列における1ビット帯域幅制限を克服すること。
• リードおよびライト中に半選択セルを損なわず、マルチビット操作を可能にすること。
• リード時のセンスマージンを向上させ、クロスバー配列におけるスリープパス干渉を低減すること。
• マルチビット動作下でも512×512クロスバー配列で2.04年間の長期データ保持を維持すること。
• パルス電圧バイアスを用いてライト動作のエネルギー効率を最適化すること。

提案手法

• リード動作中に半選択セルのバイアス電圧を700 mVに調整し、センスマージンを向上させるとともにスリープパス電流を抑制する。
• ライト動作中に半選択セルにパルス電圧源を適用することで、ライト遅延を増加させ、2ビットライトの信頼性を確保する。
• ダイオードベースのクロスバー構造を用いて、不要なセルを分離し、マルチビット動作中のクロストークを低減する。
• 電圧レベルのチューニングを実施し、リード信頼性とライト干渉のバランスを保ち、データ整合性を維持する。
• さまざまなバイアス条件下でのクロスバー配列のシミュレーションを実施し、性能および保持特性を評価する。
• センスマージン、ライト遅延、保持時間のシミュレーションベースの分析を用いて、手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半選択セルの誤り率を増加させることなく、ダイオード-STTRAMクロスバー配列でマルチビットリード動作を信頼性高く実行できるか？
• RQ2 リード動作中にスリープパス電流を抑制するため、半選択セルのセンスマージンをどのように向上させられるか？
• RQ3 半選択セルのデータを保持しつつ、2ビットライト動作を可能にする電圧バイアス戦略は何か？
• RQ4 512×512アレイで2.04年間の保持性能を維持しつつ、同時にリード可能な最大ビット数は何か？
• RQ5 信頼性のあるマルチビットライトを確保しつつ、どのようにしてライトエネルギーを最小化できるか？

主な発見

• 半選択セルに700 mVのバイアスを印加することで、512×512ダイオード-STTRAMクロスバー配列で最大512ビットの信頼性あるリードが可能になる。
• 提案されたリード手法は、クロスバー配列で2.04年間のデータ保持を維持するのに十分なセンスマージンを維持する。
• ライト動作中に半選択セルに50 mVのパルス電圧源を適用することで、最適化されたエネルギー効率で2ビットライトが実現できる。
• この技術は、マルチビットライト動作中に不要なライト干渉を効果的に防止する。
• シミュレーション結果から、大規模クロスバー配列において高い信頼性とスケーラビリティを維持していることが確認された。
• 保持性能やデータ整合性を損なわず、帯域幅効率に顕著な向上が達成された。