[논문 리뷰] A compact Verilog-A ReRAM switching model

Ioannis Messaris, Alexander Serb외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 03.

Advanced Memory and Neural Computing참고 문헌 3인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 전압 및 初기 저항 상태에 따라 변하는 함수를 통해 스위칭 동역학을 반영하는 컴팩트한 Verilog-A 모델을 제시한다. 스위칭 속도를 전압과 제2차 다항식에 의존하는 정적 표면으로 모델링함으로써, 모델은 실험적 비아 프로토콜과 스위칭 속도 의존성에 정확히 부합하면서도 빠르고 확장 가능한 시뮬레이션을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대규모 시스템 수준의 시뮬레이션에 적합한 계산적으로 효율적인 컴팩트한 Verilog-A 모델을 개발하기 위해.
• TiOx 기반 프로토타입의 실험 데이터를 활용하여 비아 전압과 초기 저항 상태에 따른 스위칭 속도 의존성을 반영하기 위해.
• 저전압 자극 하에서 장치 행동을 정확히 표현하는 정적 스위칭 속도 표면 m(R,v)을 수립하기 위해.
• 실제 성능을 갖춘 경량 모델링을 통해 ReRAM을 신규 신경형 컴퓨팅 및 메모리 인 프로세싱 아키텍처에 실용적으로 통합할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 스위칭 속도가 전압과 초기 저항 상태에 따라 어떻게 영향을 받는지를 분리하기 위해 특별히 설계된 실험적 비아 프로토콜에서 모델을 유도하였다.
• 저전압 작동 조건에서 초기 저항 상태 R 및 적용된 전압 v에 대해 정적 스위칭 속도 표면 m(R,v)을 가정하였다.
• 스위칭 속도는 전압에 의존하는 지수 함수와 v 및 R에 대한 제2차 다항식의 곱으로 표현되었다.
• 표준 회로 시뮬레이션 도구와의 호환성을 확보하기 위해 Verilog-A로 모델을 구현하였다.
• 대규모 시뮬레이션에서 정확성과 계산 효율성의 균형을 확보하기 위해 기능 형태를 최적화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시스템 수준의 시뮬레이션에 적합한 최소한의 계산 오버헤드로 ReRAM 스위칭 동역학을 어떻게 정확히 모델링할 수 있는가?
• RQ2 TiOx 기반 ReRAM 장치에서 스위칭 속도는 적용된 전압과 초기 저항 상태에 대해 어떤 기능적 의존성을 가지는가?
• RQ3 저전압 작동 조건에서 정적 스위칭 속도 표면을 정의할 수 있는가?
• RQ4 컴팩트한 Verilog-A 모델은 효율성을 유지하면서도 실험적 스위칭 행동을 어느 정도 정확히 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 모델은 컴팩트한 기능 형태를 통해 비아 전압과 초기 저항 상태에 따른 스위칭 속도 의존성을 성공적으로 반영하였다.
• 모델의 구조—전압에 의존하는 지수 함수와 v 및 R에 대한 제2차 다항식의 조합—이 실험 데이터를 효과적으로 표현하는 데 성공하였다.
• 모델의 분석적 단순성과 Verilog-A에서의 효율적 구현 덕분에 빠르고 확장 가능한 시뮬레이션이 가능하였다.
• 저전압 자극 하에서 정적 스위칭 속도 표면 가정이 유지되어 모델의 물리적 일관성이 검증되었다.